กล้องโทรทรรศน์ต้องเก็บไว้ที่อุณหภูมิ -370 องศาฟาเรนไฮต์ ซึ่งเย็นพอที่จะทำให้ไนโตรเจนเป็นน้ำแข็งได้ โดย ราหุล ราว | เผยแพร่ 30 ธ.ค. 2564 16:00 น
ศาสตร์
ช่องว่าง
ที่บังแดดของ JWST ในคลีนรูม
กระจกบังแดดห้าชั้นสำหรับกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ของนาซ่า อยู่ในห้องปลอดเชื้อในแคลิฟอร์เนีย Northrop Grumman
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) กำลังยุ่งอยู่กับการแกะกล่อง ทำให้เป็นทางเข้าบ้านใหม่อันยิ่งใหญ่ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 930,000 ไมล์ (1.5 ล้านกิโลเมตร) JWST จะสังเกตวัตถุที่อยู่ห่างไกลที่เลือนลางในแสงอินฟราเรด และเนื่องจากความร้อนเดินทางในลักษณะรังสีอินฟราเรดด้วย JWST
จึงต้องทำงานภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่จำกัดมาก
“มันไม่มีแหล่งความร้อนอื่น” เจมส์ คูเปอร์วิศวกรของ NASA กล่าว “มันจะท่วมท้นวิทยาศาสตร์ที่คุณพยายามจะได้รับ”
กระจกและเครื่องมือของกล้องโทรทรรศน์ต้องเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า -370 องศาฟาเรนไฮต์ (-223 องศาเซลเซียส) ซึ่งเย็นพอที่จะทำให้ไนโตรเจนเป็นน้ำแข็งได้ ไม่ใช่เรื่องง่ายเลยเมื่อแสงแดดและรถบัสยานอวกาศซึ่งมีคอมพิวเตอร์ส่วนกลางและการสื่อสารของ JWST สามารถให้ความร้อนแก่กล้องโทรทรรศน์และเครื่องมือวัดได้สูงถึง 230 องศาฟาเรนไฮต์ (110 องศาเซลเซียส)
โชคดีที่ JWST มีอุปกรณ์ระบายความร้อนของตัวเอง: แผงบังแดดตามที่ผู้สร้างเรียกมันว่า รูปร่างคล้ายว่าว ขนาดของสนามเทนนิส และทำจากชั้นที่มีความหนาน้อยกว่ามิลลิเมตร บังแดดของ JWST สามารถทำให้กล้องโทรทรรศน์เย็นลงได้หลายร้อยองศา
การนำที่บังแดดไปใช้ทำงานเป็นงานที่ยุ่งยากและยาวนาน Cooper ได้ช่วยเป็นผู้นำในการพัฒนาแผงบังแดดมาเป็นเวลากว่าสิบปี และเขาได้เห็นการทดลองและความยากลำบากมากมายที่โครงสร้างนี้เอาชนะได้จึงจะได้ผล
การวางแผน JWST ใช้เวลาหลายสิบปี และนักออกแบบรู้ว่าพวกเขาต้องการที่บังแดดตั้งแต่เนิ่นๆ ในกระบวนการพัฒนา ก่อนที่ Cooper จะเข้ามา ในการสร้างแผงบังแดด นักออกแบบได้พิจารณาวัสดุที่มีลักษณะคล้ายพลาสติกหลายอย่างก่อนที่จะปักหลักที่เรียกว่า Kapton
Kapton ไม่ใช่วัสดุใหม่ แต่เป็นแกนนำในโลก
ของไครโอเจนิกส์ เนื่องจากคุณสมบัติทางความร้อนของแค็ปตันนั้นดีสำหรับการทำให้สิ่งที่เย็นมาก ๆ เย็นลง นอกจากนี้ Kapton ยังกล่าวอีกว่า Cooper “แข็งแกร่งกว่า [วัสดุ] ที่คล้ายกันส่วนใหญ่ และไม่ฉีกขาดง่าย และจะสามารถอยู่รอดในสภาพแวดล้อมของอวกาศได้ดีกว่า”
JWST ไม่ใช่เที่ยวบินแรกของ Kapton สู่อวกาศ มันถูกใช้เพื่อหุ้มเครื่องยนต์บนโมดูลดวงจันทร์ของอพอลโล มนุษย์ได้เกลื่อนไปทั่วดวงจันทร์อย่างแท้จริง โมดูลดวงจันทร์มีแนวโน้มที่จะระเบิดเมื่อนักบินอวกาศยกออกเพื่อเริ่มต้นการเดินทางกลับของพวกเขา Neil Armstrong เล่าว่าเมื่อ Apollo 11 ขึ้นจากพื้นผิวดวงจันทร์ เขาสามารถเห็น Kapton “กระจัดกระจายไปทั่วพื้นที่ในระยะทางไกล”
ไม่นานมานี้ New Horizons ใช้ Kaptonเพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงที่ในขณะที่เดินทางจากโลกเพื่อบินโดยดาวพลูโตและ Charon ในบริเวณส่วนนอกสุดเยือกแข็งของระบบสุริยะ
บังแดดของ JWST ทำจาก Kapton ห้าชั้น แต่ละชั้นมีความหนาเท่ากับเส้นผมมนุษย์ ชั้นต่างๆ จะถูกคั่นด้วยช่องว่างสูญญากาศเพื่อป้องกันไม่ให้ความร้อนผ่านทะลุเกราะทั้งหมด
แต่ละชั้นเคลือบด้วยอะลูมิเนียม และสองชั้นที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดก็เคลือบด้วยซิลิกอนเจือด้วย นอกจากจะทำให้แผงบังแดดสะท้อนแสงมากขึ้นแล้ว โลหะเหล่านี้ยังปรับปรุงการนำไฟฟ้าอีกด้วย เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดไฟฟ้าสถิตย์ภายในแผ่น
ยิ่งกว่านั้น ขอบของแต่ละชั้นต้องเรียงตัวกัน และแต่ละชั้นจะต้องถูกดึงให้ตึงและเรียบ ระยะห่างจำเป็นต้องเท่ากันเพื่อป้องกันไม่ให้ความร้อนติดอยู่ตรงกลางของเกราะ
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ บินด้วยกระจกและบังแดดที่คลี่ออกในผลงานของศิลปิน
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ควรเป็นอย่างไรเมื่อในที่สุดมันก็คลี่ออกนอกชั้นบรรยากาศของโลก Adriana Manrique Gutierrez/ศูนย์การบินอวกาศ Goddard ของ NASA/CIL
เมื่อถึงเวลาประกอบแผงบังแดด ทีมงานของ NASA ก็พบกับอุปสรรคอีกประการหนึ่ง “Kapton มาในรูปแบบกว้าง 4 ฟุต และเราต้องการที่บังแดดขนาด 70 x 45 ฟุตโดยประมาณ” คูเปอร์กล่าว “ก็เลยต้องเอามาประกบกัน”
พวกเขาทำเช่นนี้โดยการหลอมขอบเข้าด้วยกันและเพิ่มแถบเพิ่มเติมเป็น “rip-stop” เพื่อช่วยป้องกันน้ำตา แม้ว่าบริเวณใดจุดหนึ่งจะฉีกขาด แต่ริปสต็อปจะแยกปัญหาออกและปล่อยให้บังแดดที่เหลือทำงานตามแผนที่วางไว้—หรือตามที่นักออกแบบหวังไว้
การประกอบแผงบังแดดเข้าด้วยกันเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของความท้าทาย เพื่อให้กล้องโทรทรรศน์พอดีกับจรวด Ariane 5ที่ปล่อยจากเฟรนช์เกียนาในวันคริสต์มาส บังแดดจะต้องพับและยึดด้วยหมุด มันเป็นปริศนา: เกราะต้องถูกยึดเมื่อพับ ใช้งานได้เมื่อคลี่ออก ทั้งหมดนี้ต้องหลีกเลี่ยงความเสียหายที่เกิดกับวัสดุที่บอบบาง
“คุณลงเอยด้วยเมมเบรน 25, 30 ชั้น และคุณมีรู [พิน] เรียงแถวกัน ดังนั้นคุณจึงสามารถปักหมุดผ่านพวกมันได้ และพวกมันจะต้องเข้าแถวทุกครั้งที่คุณพับมัน” คูเปอร์กล่าว “และการพัฒนาเครื่องมือในการทำเช่นนั้นถือเป็นความท้าทายครั้งใหญ่ เพราะคุณไม่สามารถให้หลุมเหล่านั้นเรียงต่อกันเมื่อคุณถูกนำไปใช้งาน มิฉะนั้นแสงแดดจะส่องผ่านเข้ามา”
[ที่เกี่ยวข้อง: หลังจากความล่าช้าหลายปี ในที่สุดกล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ก็อยู่ในอวกาศ ]
พวกเขาจำเป็นต้องปรับปรุงระบบสำหรับการปล่อยที่บังแดดให้สมบูรณ์ การกางเกราะออกต้องอาศัยอุปกรณ์ปลดต่างๆ 107 ตัว หากอุปกรณ์เหล่านั้นล้มเหลวแม้แต่ชิ้นเดียว กล้องโทรทรรศน์ทั้งหมดก็ถูกบุกรุก และวิศวกรของ NASA ก็ต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าสายโยงที่ยึดไว้ด้วยกันนั้นจะไม่หักและเล็มโล่โดยบังเอิญ “ดังนั้นเราจึงต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการมองหาทุกที่ที่มีสายเคเบิลไปได้” คูเปอร์กล่าว และพวกเขาต้องทดสอบทั้งหมดนี้บนพื้นดิน—ห่างจากสภาวะไร้น้ำหนักที่เกราะของกล้องโทรทรรศน์จะคลี่ออกจริงๆ
แต่ตอนนี้ ทั้งหมดนั้นอยู่เบื้องหลังพวกเขา จนถึงตอนนี้ การเปิดตัวได้ดำเนินไปอย่างราบรื่น อันที่จริง มันใช้เชื้อเพลิงขับเคลื่อนน้อยกว่าที่คาดไว้มาก ซึ่ง NASA คาดการณ์ว่าจะยืดอายุของหอดูดาวเป็นปีๆ ในวันอังคารที่ JWST เริ่มคลี่ที่บังแดด หากทุกอย่างเป็นไปตามแผนที่วางไว้ มันก็จะค่อยๆ คลี่ชุดเกราะระบายความร้อนออกมาจนถึงวันที่ 3 มกราคม
