Modelo a escala del telescopio espacial Webb. Crédito: NASA.Mantener un telescopio infrarrojo en las muy frías temperaturas de funcionamiento no es una opción, es una necesidad absoluta. Para que el Telescopio Espacial James Webb pueda ver las huellas de luz infrarroja generada por las estrellas y galaxias distantes miles de millones de años luz, debe conservarse a temperaturas criogénicas de menos de 50 grados Kelvin. De lo contrario, la luz del sol que calienta el telescopio y el calor desde el telescopio mismo enmascara las muy débiles señales astronómicas, dejando efectivamente ciego el ojo del telescopio. El trabajo de la enorme capa de cinco parasoles es evitar que eso suceda.
Actuando como un bloqueador de la radiación, el parasol está sometido a cerca de 100.000 vatios de energía solar térmica, que se reducen a una décima de vatio en el lado frío, una reducción de un millón de veces de lado a lado.
Pero, ¿cómo probar una complicada estructura del tamaño de una cancha de tenis? No hay una cámara criogénica en el planeta lo suficientemente grande y el presupuesto para un edificio no tiene sentido desde el punto de vista práctico. Por eso es que los ingenieros del Webb han construido un modelo a escala uno en tres y una instalación para realizar el ensayo térmico crítico del sistema de parasol.
El ensayo térmico tiene dos objetivos principales: 1 - verificar que el diseño del parasol realmente pueda bloquear y reorientar la energía del sol antes de que llegue al telescopio, y 2 - comprobar la exactitud de los modelos de computadora térmicos utilizados para predecir cómo el parasol en tamaño completo llevará a cabo su función. "El parasol de vuelo se desplegará y se inspeccionará visualmente previo al vuelo, pero sólo una simulación por computadora, de su rendimiento térmico, se utilizará para determinar si está listo para su lanzamiento", explica Keith Parrish, Director del Parasol del telescopio Webb de la NASA en el Goddard Space Flight Center, en Greenbelt, Maryland
"Esto es muy similar a las pruebas de túnel de viento de grandes aeronaves", señala. "La mayoría de los aviones, aviones comerciales, especialmente grandes, son simplemente demasiado grandes para someterse a pruebas en tamaño completo. Los modelos de computadora, que extrapolan los datos de los ensayos de modelos a escala más pequeños en el túnel de viento, se utilizan para verificar el diseño final y predecir el rendimiento de la aeronave de tamaño completo. Nuestra prueba del modelo del parasol del Webb, a escala 1/3, es un enfoque muy similar".
Esta es una de las membranas del parasol a escala 1/3 del telescopio James Webb sometidas a la inspección final en Nexolve en Hunstville, Alabama, EE.UU. Crédito: Nexvolve. Simular el calor del sol
En el espacio, el parasol se calienta por el sol. Para la prueba de suelo, el modelo a escala 1/3 fue colocado en una cámara de vacío térmico de prueba en las instalaciones de fabricación del contratista principal, Northrop Grumman, en Redondo Beach, California. El calor del sol se simuló por placas de un calentador eléctrico colocado muy cerca, pero sin tocar la capa 1, la capa que da de cara al calor solar. El poder de los calentadores se aumentó constantemente hasta que la capa 1 alcanzó temperaturas similares, como las previstas en el vuelo, más de 100 grados centígrados, el punto de ebullición del agua a nivel del mar.
Medir cómo reacciona el parasol
Aproximadamente 400 sensores de temperatura se colocaron en todo el parasol. "También vigilamos las temperaturas de cubierta gaseosas refrigeradas por helio de la cámara y el helio líquido que refresca las placas", añade Parrish. "Estas placas de refrigeración simulan la temperatura del fondo frío del espacio en la órbita del Webb, que es alrededor de 7 grados Kelvin. Nosotros no podemos conseguir llevar estas placas en todo el camino hasta 7 K, que está muy cerca del cero absoluto. Las placas suelen bajar a un rango de temperaturas de 15 a 25 grados K, el conocimiento tan exacto de la temperatura es fundamental para comprender el desempeño del parasol".
El equipo de ingeniería utilizó las pruebas del modelo en escala 1/3 para un ensayo de un dispositivo llamado radiómetro. Colgados o montados alrededor del parasol, estos dispositivos miden la radiación por calor que está rebotando alrededor y entre el parasol, las placas frías y las paredes de la cámara. Dado que este tipo de efecto no se produce en el espacio, es importante entender cómo este calor que rebota impacta en los resultados de las pruebas. Cuando los instrumentos de vuelo y el observatorio se prueban en el Centro Goddard y el Centro Espacial Johnson, estos dispositivos deben estar funcionando bien.
Experimentando con los extremos
Siete condiciones de ensayo diferentes para recopilar datos de temperatura y las condiciones de prueba fueron adaptadas para que los ingenieros puedan estudiar cómo el parasol se desempeña en el espacio bajo una variedad de condiciones. Algunas condiciones de prueba exageran o aumentan las temperaturas y las corrientes de calor en determinadas zonas del parasol. A pesar de que las condiciones de prueba no simulan condiciones de vuelo, están diseñadas para aislar y definir mejor las variables particulares utilizadas en las simulaciones térmicas por computadora. "Una condición de prueba de un mecanismo específico en la cámara fue utilizada para cambiar o deformar la forma del parasol," explicó Parrish. "Dado que la forma correcta es fundamental para el desempeño del parasol, esta condición de prueba otorgó a los ingenieros datos importantes para poder ver si los modelos de computadora pueden predecir el impacto térmico de los cambios en la forma".
Foto de un ingeniero manipulando la membrana del parasol en el modelo a escala 1/3. Las cinco capas del parasol están formadas por membranas delgadas a partir de una película basada en polímero y equipos de apoyo tales como barras de separación, los auges, el cableado y los depósitos de contención. Crédito: Northrop Grumman. Coincidencia de los modelos con los datos de prueba
Después que fueron obtenidos los datos de temperatura, los ingenieros corrieron los modelos por computadora una y otra vez con pequeños cambios para imitar las condiciones reales de ensayo. El objetivo es adaptar mejor los datos de temperatura de los sensores en el parasol a los modelos por computadora. "Esta es realmente la parte fundamental en el proceso de pruebas de conjunto", dice Parrish. "La recopilación de los datos de prueba fue sólo el comienzo. El entendimiento de los datos y cómo se aplica al rendimiento térmico previsto del parasol en vuelo es el paso crítico".
Para entender cómo la forma de la membrana afecta el rendimiento térmico, un dispositivo láser LIDAR (Detección de Luz y Recorrido) tomó medidas de alta precisión de la forma de cada una de las cinco capas del parasol a temperatura ambiente. Estas mediciones se utilizan para validar las predicciones del modelo por computadora de cada membrana en condiciones ambientes. Los modelos por computadora fueron utilizados para predecir las formas de la membrana en condiciones de prueba diferentes.
En esta primavera (boreal), la cámara térmica se modificará con una ventana para que el dispositivo LIDAR pueda ver en la cámara y medir la forma de la capa 5, la capa más fría, cerca de su temperatura criogénica, aproximadamente 77 K. Esta prueba permitirá a los ingenieros confirmar si la predicción de la forma del modelo por computadora a esa temperatura es la correcta.
Analizar y verificar
Una planificación cuidadosa y siguiendo procedimientos rigurosos da sus frutos; la prueba fue todo un éxito porque todos los objetivos de la misma se cumplieron y los ingenieros fueron capaces de recoger los datos que necesitaban. Esos datos están siendo cuidadosamente analizados para ver si las temperaturas de ensayo reflejan con exactitud el rendimiento térmico del parasol de vuelo. El análisis de los datos es un proceso largo que está previsto que se complete ahora, a finales de marzo de 2010.
Las pruebas del modelo a escala 1/3 recorren un largo camino en el establecimiento del modelo de verificación, con suficiente antelación a las pruebas de vuelo. Como resultado de ello, la fidelidad del modelo maestro se ha mejorado, lo que añade la confianza para el vuelo y reduce el riesgo técnico.
La prueba térmica se llevó a cabo durante cuatro semanas, desde el 23 noviembre al 19 diciembre de 2009 en la cámara de vacío térmico más grande de Northrop Grumman, en las instalaciones de fabricación de Sistemas Aeroespaciales de la empresa en Redondo Beach, California
El Telescopio Espacial James Webb es el primer observatorio espacial de la próxima generación, que explorará los fenómenos del espacio profundo en las galaxias lejanas y los planetas y las estrellas cercanas. El telescopio Webb dará a los científicos pistas sobre la formación del universo y la evolución de nuestro sistema solar, desde la primera luz después del Big Bang a la formación de sistemas estelares capaces de sustentar la vida en planetas como la Tierra.
El proyecto del Telescopio Webb se gestiona en el Goddard Space Flight Center en Greenbelt, Maryland El telescopio es un proyecto conjunto de la NASA, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense y se espera que su lanzamiento se concrete en 2014.
Traducido de:
Turning up the heat: Finding out how well the Webb telescope's sunshield will perform. Por Mary Blake y Northrop Grumman. NASA.
Para obtener información acerca del Telescopio Espacial James Webb , visite: http://www.jwst.nasa.gov/
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