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Los aislantes de vibración de rigidez negativa de Minus K hicieron posible que el telescopio espacial James Webb despegara en su misión al espacio exterior

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El desarrollo del telescopio espacial James Webb (JWST) ha llevado 30 años, pruebas de vacío criogénico extremo y cerca de 10.000 millones de dólares. Está siendo descrito como uno de los grandes esfuerzos científicos del siglo XXI

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Enero de 2022
Los aislantes de vibración de rigidez negativa de Minus K hicieron posible que el telescopio espacial James Webb despegara en su misión al espacio exterior
El desarrollo del telescopio espacial James Webb (JWST) ha llevado 30 años, pruebas de vacío criogénico extremo y cerca de 10.000 millones de dólares. Se le considera una de las grandes empresas científicas del siglo XXI

Lanzamiento del JWST desde la Guayana Francesa Navidad Diciembre 2021
Tras más de dos décadas de desarrollo, el día de Navidad de 2021, la NASA lanzó el Telescopio Espacial James Web (JWST) desde la Guayana Francesa, en la costa noreste de Sudamérica. El lugar de lanzamiento estaba cerca del Ecuador para dar el empujón extra necesario para alcanzar el punto de observación del JWST en dirección contraria al Sol. El punto de Lagrange 2 (L2) Sol-Tierra se encuentra a casi 1 millón de millas (1,6 millones de km) de la Tierra, directamente detrás del planeta. Un objeto situado en L2 dará la vuelta al Sol con la Tierra sin quedarse atrás.

Separación del JWST de la segunda etapa del cohete Ariane 5
La segunda etapa del cohete Ariane 5 se separó del JWST 27 minutos después del despegue. Poco después, a los T+30 minutos del lanzamiento, el JWST desplegó sus paneles solares e informó de que la nave espacial tenía "energía positiva" El telescopio espacial James Webb tuvo que volar al espacio plegado, ya que es demasiado masivo para caber en cualquier cohete existente en su forma final. Aunque el cohete Ariane 5 que lo transportó al espacio tiene casi 18 pies, o 5,4 metros, de ancho, aún no era lo suficientemente grande como para llevar el JWST al espacio completamente desplegado. Así que se compactó en forma de origami para que cupiera dentro del cohete.

JWST encapsulado en el compartimento de carga útil del cohete Ariane 5

Durante el viaje de 29 días a la L2, el JWST tuvo que desplegar sus 18 segmentos de espejo de berilio chapados en oro utilizando 132 actuadores. Desplegó su parasol origami de cinco capas y se enfrió por debajo de 50K (Kelvin) (-223°C o -370°F). El lado orientado hacia el sol estará a unos 230F (110 C), y el lado frío a unos -394F (-236,6C o 36K). El parasol de cinco capas impide que la luz solar interfiera con los sensibles instrumentos del telescopio. El telescopio funciona a menos de 50K (~-370F)

Este plazo ha sido bautizado como "30 días de terror", en los que se producen 344 fallos potenciales en un solo punto de la nave espacial, el 80% de los cuales están asociados a los mecanismos de despliegue. El parasol, por ejemplo, incluye 140 mecanismos de desbloqueo, 70 conjuntos de bisagras, ocho motores de despliegue, unas 400 poleas y 90 cables de un total de 400 metros de longitud.

Era difícil poner redundancia total en un mecanismo de liberación. Se habían realizado múltiples pruebas de despliegue a lo largo de varios años, tanto en modelos pequeños como de tamaño completo. Si algo no salía bien durante el proceso de despliegue, había varios planes de contingencia para intentar solucionar cualquier problema.

Durante la primera semana del viaje a L2, los parasoles se desplegaron para enfriar el telescopio. Durante la segunda semana se desplegó el radiador de popa, la estructura de soporte del espejo secundario y ambas alas del espejo primario.

El siguiente paso fue alinear los 18 espejos individuales que componen el espejo primario del observatorio. Activar y mover cada uno de los 18 segmentos del espejo primario (que son ajustables) una vez fuera de su configuración de lanzamiento es una actividad que requiere varios días.

Los segmentos del espejo primario se mueven mediante seis actuadores que están fijados a la parte posterior de cada pieza del espejo, con un séptimo actuador situado en su centro que ajusta la curvatura del segmento del espejo.

El espejo primario es la principal superficie de captación de luz del JWST. Reflejará la luz hacia el espejo terciario, situado en los brazos de la parte delantera del telescopio, que la hará rebotar hacia los instrumentos del JWST. Cada uno de los 18 segmentos del espejo primario está recubierto de una capa de oro brillante pero ultrafina. Si se dejaran en posición de lanzamiento, actuarían como telescopios individuales con imágenes que serían borrosas y poco claras. Una vez alineados, los segmentos del espejo actuarán como un espejo gigante de 6,5 metros de diámetro, el mayor jamás visto en el espacio.

El telescopio espacial Hubble ha observado galaxias incipientes hasta aproximadamente 400 millones de años después del big bang. El JWST será capaz de ver mucho más lejos en el pasado, hasta 100 millones de años después del big bang, un período en el que la mayor parte de la materia consistía sólo en los elementos primordiales y estaba empezando a fusionarse en estrellas y galaxias.


NASA GSFC CIL JWST en el espacio renderingJWST observará algunos de los objetos más distantes del universo. Como resultado, en su viaje de más de 13.000 millones de millas, la luz de los objetos se desplaza fuertemente hacia el lado rojo del espectro electromagnético. Los espejos primarios del JWST están chapados en oro de 24 quilates, porque el oro refleja la luz roja mejor que casi cualquier otro metal. El oro permite que los espejos del JWST sean reflectantes en un 98%, frente al 85% típico de los espejos estándar. Las capas de oro que recubren los espejos del telescopio tienen un grosor de sólo 1.000 átomos. Sólo se ha utilizado una cantidad de oro del tamaño de una pelota de golf para recubrir todo el espejo de 21 pies de ancho.

La temperatura primaria de funcionamiento del telescopio es de sólo 50 grados por encima del cero absoluto (-459º F). Cuanto más fría es la temperatura, menos átomos se mueven. En el cero absoluto 0 grados Kelvin, la temperatura más fría posible (-459º F), los átomos dejan de moverse por completo. Por ello, los instrumentos de alta tecnología a bordo del JWST funcionarán casi al cero absoluto para descifrar los datos con precisión.

El telescopio no funcionará hasta que se haya enfriado por completo a su temperatura baja y estable. A continuación, durante los cinco meses siguientes, el telescopio será probado y calibrado para su misión científica, que comenzará a mediados de 2022



La participación de Minus K en las pruebas sin precedentes del JWST antes de llegar al espacio
Todas las pruebas de vacío criogénico de los sistemas del JWST se realizaron en la Cámara A del Centro Espacial Johnson (JSC) de la NASA. La Cámara A es actualmente la mayor cámara de pruebas criogénico-ópticas de alto vacío del mundo, y se hizo famosa por probar las cápsulas espaciales de la misión Apolo de la NASA, con y sin la tripulación de la misión. Mide 16,8 metros de diámetro por 27,4 metros de altura. La puerta pesa 40 toneladas y se abre y cierra hidráulicamente. El aire de la cámara pesa 25 toneladas, cuando se extraiga todo el aire la masa que quedará dentro será el equivalente a la mitad de una grapa.
Durante tres años, los ingenieros del JSC de la NASA construyeron y remodelaron el interior de la cámara para adaptarlo a la temperatura necesaria para probar el telescopio espacial James Webb. La Cámara A fue reequipada con la cubierta de helio, situada en el interior de la cubierta de nitrógeno líquido existente, y es capaz de bajar más que nunca la temperatura de la cámara, que es de 11 grados por encima del cero absoluto (11 Kelvin, -439,9 Fahrenheit o -262,1 Celsius).

Una adición clave a la Cámara A fue la incorporación de un conjunto de seis aisladores de vibración de rigidez negativa personalizados de Minus K Technology. Los aisladores pasivos Minus K no necesitan aire ni electricidad y ofrecen mejor aislamiento que los sistemas de aislamiento activo y por aire. Un factor importante en la selección de los aisladores de vibraciones fue que no sólo aíslan las vibraciones verticalmente, sino también horizontalmente a menos de 1 Hz.

El JWST se diseñó para trabajar en el espacio, donde las perturbaciones están muy controladas y sólo proceden de la nave espacial, mientras que en la Tierra, con todas las perturbaciones terrestres, como las bombas y los motores, e incluso el tráfico al pasar, pueden afectar a las pruebas. Los aisladores de vibraciones Minus K proporcionan un aislamiento dinámico de las fuentes de vibración externas para crear un entorno de perturbaciones similar al de un vuelo.

Los aisladores utilizan el dispositivo compensador Thermal Responsive Element (TRE) patentado por Minus K, un dispositivo mecánico pasivo que no requiere aire ni electricidad, al igual que los aisladores. El compensador TRE ajustó los aisladores según los cambios de temperatura a lo largo de las pruebas en el JSC, manteniendo el JWST en la posición adecuada.

La revisión crítica del diseño del sistema de aislamiento de vibraciones de la nave espacial al elemento óptico del telescopio se completó un mes antes de lo previsto a finales de 2011. Los seis aisladores de vibraciones de rigidez negativa Minus K se instalaron en la parte superior (como se muestra en el gráfico siguiente) de la Cámara de Vacío Térmico A del Centro Espacial Johnson en marzo de 2014.

JWST necesitaba una estructura de soporte dentro de la cámara de vacío para sostener el equipo para las pruebas. Los ingenieros instalaron una enorme plataforma de acero suspendida de los seis aisladores de vibraciones mediante varillas de acero de unos 18,2 metros de largo cada una y unos 38,1 mm de diámetro, para sostener el telescopio y las piezas clave del equipo de pruebas. El sofisticado equipo de pruebas del telescopio óptico incluía un interferómetro, espejos planos de autocolimación y un sistema de cámaras de fotogrametría de "topografía de precisión" en alineación relativa precisa dentro de la cámara, aislados de cualquier fuente de vibración, como el flujo de nitrógeno y helio dentro de las tuberías de la cubierta y el pulsar rítmico de las bombas de vacío.

Para que los ingenieros pudieran vigilar el JWST durante las pruebas, se conectaron a la estructura de soporte otros equipos de apoyo, como espectrómetros de masas, cámaras de infrarrojos y cámaras de televisión, que se suspendieron y aislaron de las vibraciones mediante los aisladores de rigidez negativa Minus K.

Las pruebas del Pathfinder del JWST se planificaron en 3 grandes campañas de pruebas previas a la prueba final de vacío criogénico de los Elementos de Telescopio Óptico (OTE) de vuelo completamente ensamblados y del Módulo de Instrumentos Científicos Integrado (ISIM). Las tres pruebas Pathfinder son: OGSE1, OGSE2 y "Thermal-Pathfinder" (TPF).

Etapas de las pruebas Pathfinder OGSE1, OGSE2, 'Thermal-Pathfinder' (TPF) y el vuelo completamente ensamblado Elementos de Telescopio Óptico (OTE) y el Módulo de Instrumento Científico integrado (ISIM) llamado (OTIS)
Estas pruebas se incrementaron para ser más complejas y caracterizar completamente la instalación de pruebas, incluida la cámara de pruebas criogénicas y el equipo de apoyo en tierra (GSE). Los artículos de prueba "similares a los de vuelo" dentro de las pruebas Pathfinder se diseñaron para comprender los comportamientos térmicos dentro del entorno criogénico.

La prueba OGSE1 de 30 días se completó en mayo de 2015 después de que la Cámara-A del JSC se pusiera en servicio con éxito en 2014 para el uso del JWST. La prueba de crio-vacío OGSE2 de 35 días se completó en octubre de 2015, donde se cumplieron todos los objetivos de prueba primarios, secundarios y terciarios. La finalización con éxito del OGSE2 marcó un hito importante para el JWST. Esta prueba fue la primera prueba criogénica importante con los elementos ópticos reales del telescopio de vuelo y un equipo óptico especializado alimentado por fibra. Fue la primera prueba con el Aft-Optics-Subsystem (AOS) Source Plate Assembly o ASPA, diseñado para iluminar la óptica del telescopio a través de los planos focales. El Espejo Terciario (TM) de vuelo y el Espejo de Dirección Fina (FSM) empaquetados en un conjunto denominado Aft-Optics-Subsystem se probaron ópticamente en una configuración integrada en su entorno criogénico operativo.

En junio de 2015, tras las pruebas OGSE1 y OGSE2 y antes de la prueba "Thermal-Pathfinder" (TPF), L3Harris (anteriormente ITT Exelis), que puso en servicio e instaló los seis aisladores de vibraciones de rigidez negativa en la parte superior de la cámara A, realizó ajustes con la ayuda de Minus K en los aisladores de la cámara, ajustándolos a su frecuencia natural diseñada de 0,5 Hz. Esto permitió a los aisladores proporcionar una mejora en la reducción de las vibraciones en los dos segmentos del espejo primario de la prueba TPF.

La prueba criogénica de 35 días de Thermal Pathfinder (TPF) se completó en octubre de 2016. El TPF incluía dos espejos de berilio de repuesto aptos para el vuelo (uno de ellos con revestimiento dorado) y diez segmentos de prueba de aluminio con revestimiento dorado no aptos para el vuelo que funcionaban como simuladores térmicos. Durante las pruebas ópticas, los espejos tuvieron que "desfasarse" o alinearse a una distancia inferior a la longitud de onda de la luz, miles de veces menor que el grosor de un cabello humano a una temperatura de cientos de grados bajo cero. Thermal Pathfinder se sometió a todas las pruebas térmicas y de vacío previstas para el JWST en 2017.

La prueba final de 93 días de duración de los elementos ópticos del telescopio JWST y el módulo de instrumentos científicos integrados (OTIS) completamente ensamblados comenzó en julio de 2017. Se tardó unos 10 días en extraer el aire de la cámara y, a continuación, alrededor de un mes en bajar las temperaturas del JWST y sus instrumentos científicos a los niveles necesarios para las pruebas.

Arquitectura y subsistemas del equipo de apoyo en tierra (GSA) para las pruebas OTIS del JWST

Estas pruebas incluyeron una importante comprobación de la alineación de los 18 segmentos del espejo primario del JWST, para asegurarse de que todos los segmentos hexagonales chapados en oro actuaban como un único espejo monolítico. Para ello fue necesario probar los 132 actuadores hexápodos para 6 grados de libertad (DOF) y el radio de curvatura de cada segmento del espejo. Era la primera vez que se probaban conjuntamente la óptica y los instrumentos del telescopio.

El proceso de prueba del JWST ha sido largo y complicado. Las condiciones que encontrará en el frío vacío del espacio se simularon en tierra, para garantizar que la óptica y los instrumentos funcionarán perfectamente tras el lanzamiento. Estas pruebas eran muy necesarias, ya que el JWST estará a casi un millón de kilómetros de la Tierra orbitando a L2. Estará demasiado lejos para que puedan efectuarse reparaciones, como se hizo con el telescopio espacial Hubble.