Astronomowie twierdzą, że nowe teleskopy powinny wykorzystywać „model statku kosmicznego” – Ars Technica

Wśród czołowych amerykańskich astronomów panuje zgoda co do tego, że kolejna fala wielkich obserwatoriów NASA powinna wykorzystać przełomowe możliwości podnoszenia, jakie zapewniają nowe, gigantyczne rakiety, takie jak Starship firmy SpaceX.

Na przykład kolejne wystrzelenie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) na statek kosmiczny mogłoby uwolnić misję od uciążliwych ograniczeń związanych z masą i rozmiarem, które zwykle prowadzą do zwiększonej złożoności i kosztów, stwierdził panel trzech astronomów. Niedawno oświadczył to Komitetowi Akademii Narodowych ds. Astronomii i Astrofizyki.

„Posiadanie większych możliwości w zakresie masy i objętości przy niższych kosztach poszerza przestrzeń projektową” – powiedział Charles Lawrence, główny naukowiec zajmujący się astronomią i fizyką w Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA. „Chcemy to wykorzystać”.

Prezentacja Lawrence’a dotyczyła wpływu dużych, nowych rakiet nośnych na przyszłe misje astronomiczne. Prezentacja została przeprowadzona w zeszłym tygodniu wraz z Martinem Elvisem, astronomem z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics oraz Sarah Seager, astrofizykiem i planetologiem z Massachusetts Institute of Technology. Lawrence, Elvis i Seeger skomponowali A artykuł opublikowany na początku tego roku w czasopiśmie Physics Today Omów ten temat.

Powszechnie uznaje się, że zdolność statku kosmicznego do wyniesienia w przestrzeń kosmiczną ponad 100 ton metrycznych za ułamek kosztu kilograma istniejących rakiet zmieniłaby sposób funkcjonowania szerzej rozumianego przemysłu kosmicznego. Sonda ma średnicę 9 metrów (ładunek może pomieścić 8 metrów), co stanowi prawie dwukrotność szerokości ładunku dowolnej istniejącej rakiety.

Ale astronomowie poważnie podchodzą do planowania rakiet takich jak Starship czy New Glenn firmy Blue Origin z nieco mniejszym 7-metrowym ładunkiem, które będą dostępne do uniesienia nowej generacji dużych teleskopów kosmicznych.

Wielkie teleskopy na wielkich wyrzutniach

W 2021 roku Akademie Narodowe Wystaw recenzję raz na dekadę Astronomia i astrofizyka są najwyższymi priorytetami amerykańskiej społeczności naukowej. W ramach tej ankiety, znanej jako Astro2020, wybitny panel naukowców nakreślił plan działania dla NASA, zgodnie z którym większość lat 2020. XX w. powinna spędzić na opracowywaniu technologii i projektów kolejnej serii „wielkich obserwatoriów”, które pójdą w ślad za Hubble’em i Chandrą. Wystrzelenie Jamesa Webba i Rumuńskiego Teleskopu Kosmicznego zaplanowano na rok 2027.

Polityka NASA polega na stosowaniu się do zaleceń społeczności naukowej, gdy tylko jest to możliwe. Uważa się, że pod koniec dekady NASA powinna być gotowa do oficjalnego rozpoczęcia prac nad nowymi teleskopami. Pierwszym z nich byłby duży teleskop zwany Obserwatorium Habitable Worlds, który byłby podobny rozmiarami do teleskopu Webba ze zwierciadłem głównym o szerokości około 6 metrów (20 stóp) i koroną lub cieniem gwiazdy blokującym światło gwiazd, umożliwiając bezpośrednie obserwacje planet wokół inne planety. Gwiazdy lub egzoplanety. Jest to funkcja niedostępna w systemie Webb.

Obserwatorium Habitable Worlds Observatory, które ma czułość na światło w zakresie podczerwieni, światła widzialnego i ultrafioletu, otrzyma zadanie monitorowania egzoplanet podobnych do Ziemi w poszukiwaniu światów o składzie umożliwiającym życie. Później NASA powinna wystrzelić podobne ambitne teleskopy dalekiej podczerwieni i promieni rentgenowskich do badania powstawania gwiazd, czarnych dziur i galaktyk, co zalecili naukowcy w 2021 roku.

Te nowe, duże, wielomiliardowe misje rozpoczną się dopiero w latach czterdziestych XXI wieku. To „blokująca oś czasu” – napisali Elvis i jego współpracownicy w artykule opublikowanym na początku tego roku. „Do chwili uruchomienia pierwszych obserwatoriów do przejścia na emeryturę dzisiejszych świeżo upieczonych doktorantów będzie zaledwie dziesięć lat od przejścia na emeryturę”.

NASA nie ma budżetu, aby wystrzelić je w najbliższym czasie, a nowe teleskopy wymagają innowacji w optyce, detektorach i materiałach, aby były wykonalne.

Naukowcy twierdzą, że pojawienie się nowych dużych rakiet może zmniejszyć niektóre z tych przeszkód technologicznych. Ostatecznie mogłoby to doprowadzić do uproszczenia projektów, obniżenia kosztów i być może skrócenia czasu potrzebnego na opracowanie i budowę kolejnych wielkich obserwatoriów. Być może nie będą musieli czekać do lat 40. XXI wieku, aby go uruchomić. Są to istotne czynniki, gdy wstępne szacunki Akademii Narodowych wskazują, że Obserwatorium Światów Nadających się do Zamieszkania będzie kosztować około 11 miliardów dolarów.

„Projekty są bardzo ograniczone wyrzutniami, rozmiarem i masą dostępną dla wybranej orbity, co nieuchronnie zwiększa złożoność i koszty” – powiedział Ilves.

Elvis powiedział, że w ciągu najbliższych kilku lat inżynierowie pracujący nad wstępnymi projektami nowych teleskopów będą musieli ponownie ocenić swoje założenia dotyczące typów rakiet, które będą dostępne do wystrzeliwania misji w przestrzeń kosmiczną.

„Proponujemy przeprowadzenie badań na wszystkich trzech statkach flagowych Astro2020, ich ładunku i statku kosmicznym, w nowym modelu Starship lub dowolnym dużym modelu startowym, aby wykorzystać otwartą przestrzeń projektową” – powiedział Elvis w zeszłym tygodniu.

„Najważniejsze pytania brzmią: czy zidentyfikowane przez nas znaczne oszczędności są naprawdę rozsądne i czy w rezultacie można przyspieszyć Astro2020?” on dodał.

Tyrania rakiety

Aby zilustrować ograniczenia narzucone przez możliwości rakiety, wróćmy do Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Webb musiał zmieścić się w owiewce ładunku o średnicy prawie 5 metrów rakiety Ariane 5, która miała największą pojemność ładunkową ze wszystkich pojazdów nośnych dostępnych w czasach, gdy inżynierowie projektowali Webba. Oznaczało to, że 18 pojedynczych segmentów zwierciadła głównego teleskopu trzeba było złożyć, a projektanci stworzyli pięciowarstwową osłonę przeciwsłoneczną wielkości kortu tenisowego, wykonaną z cienkiej, ale skutecznej izolacji, która blokowała ciepło i światło słoneczne przedostające się do teleskopu. Wszystko musiało się połączyć, aby Webb mógł znaleźć się w zasięgu rakiety wystrzelonej w 2021 roku.

W przypadku większych rakiet, takich jak Starship czy New Glenn, przyszły teleskop mógłby wykorzystywać jednorodne zwierciadło, eliminując potrzebę stosowania zwierciadeł segmentowych. Istnieją naukowe argumenty sugerujące, że zwierciadła segmentowe mogą być lepsze w niektórych zastosowaniach, ale decyzja w tej sprawie nadal nie została rozstrzygnięta. Ponadto zamiast skomplikowanej, rozkładanej osłony przeciwsłonecznej, która byłaby podatna na awarie, inżynierowie mogli zainstalować większą, sztywną osłonę, która owinęłaby cały teleskop.

Naukowcy twierdzą, że zwierciadła teleskopu mogłyby być grubsze i cięższe, gdyby zostały wystrzelone na masywnej rakiecie takiej jak Starship, co oznaczałoby, że łatwiej byłoby je wyprodukować i wypolerować. Cięższa rakieta mogłaby pozwolić projektantom statków kosmicznych na dodanie większych paneli słonecznych w celu uzyskania dodatkowej mocy. Dodatkowa moc mogłaby pozwolić statkowi kosmicznemu na wykorzystanie tańszej elektroniki z większą redundancją, powiedział Elvis.

„Jedną z najważniejszych lekcji wyciągniętych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba było znaczenie wstępnego i szczegółowego zrozumienia rakiet” – powiedział Lee Feinberg, dyrektor ds. optyki w firmie Webb i współprzewodniczący Grupy ds. Oceny Technicznej badającej Obserwatorium Światów Nadających się do Zamieszkania. Kluczową kwestią jest to, że chcemy elastyczności. „Od misji dzieli nas ponad 20 lat”.

Kto wie, jakie rakiety będą latać w latach czterdziestych XXI wieku? W przypadku rzymskiego teleskopu kosmicznego, którego wystrzelenie zaplanowano na kilka lat, urzędnicy NASA sądzili, że będą mieli wybór między kilkoma rakietami. Okazuje się, że nowe rakiety, takie jak Vulcan należący do United Launch Alliance i New Glenn należący do Blue Origin, nie były gotowe, gdy NASA musiała wybrać wykonawcę startu. Hipotetycznie kontrakt trafił do SpaceX na wystrzelenie rakiety Falcon Heavy.

„To naprawdę podkreśla znaczenie elastyczności rakiet” – powiedział Feinberg, inżynier w Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda w NASA. Niedawno spotkał się ze SpaceX i Blue Origin. „Obecnie uważamy, że New Glenn i Starship wyglądają obiecująco” – powiedział.

Są też inne nowe rakiety. System startów kosmicznych NASA jest zbyt drogi, aby w ogóle go rozważać. „Nowy Vulcan ULA nie ma dużo większej owiewki, więc nawet o tym nie pomyśleliśmy” – powiedział Elvis.

Czy statek kosmiczny jest rozwiązaniem?

Badania wykazały, że statek kosmiczny, dzięki swojej większej średnicy, mógłby pomieścić szereg teleskopów o różnej konstrukcji, takich jak ten rozważany w przypadku Obserwatorium Światów Habitable. Statek kosmiczny może wystrzelić obserwatorium ze swoim zwierciadłem głównym o średnicy około 6 metrów, złożonym lub rozłożonym, leżącym na boku lub skierowanym do góry.

„Odkryliśmy, że Starship zapewnia naprawdę dużą elastyczność” – powiedział Feinberg na posiedzeniu komisji National Academies w zeszłym tygodniu.

Oczywiście statki kosmiczne Starship i New Glenn nie dotarły jeszcze na orbitę i przed nimi jeszcze kilka lotów, aby kwalifikować się do wystrzelenia głównej misji NASA. Jednak SpaceX i Blue Origin mają dwie dekady na udowodnienie niezawodności swoich nowych rakiet, zanim NASA przygotuje do startu jedno ze swoich nowych, fantazyjnych obserwatoriów pokładowych.

„Do czasu wystrzelenia naszego pierwszego wielkiego obserwatorium statek kosmiczny wystrzelił kilka razy i będzie miał zapis, na podstawie którego będzie można ocenić” – powiedział Seager.

Nie jest również jasne, jaka będzie cena wystrzelenia statku Starship lub New Glenn w latach 30. i 40. XXI wieku, ale prawdopodobnie będzie to niewielki ułamek całkowitego kosztu wielomiliardowego obserwatorium.

Aby wysłać którykolwiek z tych teleskopów w przestrzeń kosmiczną w kierunku punktu Lagrange’a L2, gdzie będą mogli obserwować Wszechświat z dala od zakłóceń ze strony Ziemi, statek kosmiczny będzie musiał zatankować paliwo na orbicie. Eksperci od optyki NASA mają pytania, czy proces tankowania może zanieczyścić wrażliwe zwierciadła teleskopu, powiedział Feinberg. Teleskop krążący po niskiej orbicie okołoziemskiej i czekający na zatankowanie statku kosmicznego może być również narażony na ekstremalne wahania temperatury, co może narazić go na uszkodzenie.

„To wszystko są kwestie, które będziemy musieli zrozumieć w ciągu najbliższych kilku lat” – powiedział Feinberg. „Kiedy pytamy (SpaceX) o szczegóły, mamy wrażenie, że powiedzą nam, kiedy sobie z tym poradzą, ale nie mogą nam tego teraz powiedzieć. Po stronie New Glenn jest inaczej, gdzie to robią ponowne planowanie startu (pierwszym lotem) potencjalnie doprowadzi cię do L2, więc są bardzo blisko.

Według Feinberga docelowo, jeśli NASA będzie chciała powiększyć swoją przestrzeń dzięki nowej generacji teleskopów kosmicznych, w statku Starship będzie można umieścić złożone lustro o szerokości od 10 do 12 metrów. W przypadku New Glen górna granica prawdopodobnie wyniesie około 8 metrów. Większe zwierciadła zwiększają obszar zbierania teleskopu, zapewniając mu lepszą rozdzielczość przy widzeniu mniejszych, słabszych obiektów.

„Myślę, że znaleźliśmy się w nowej sytuacji” – powiedział Elvis. „Te wyrzutnie zmieniają to, co możemy zrobić w kosmosie i jakim kosztem. Sposób, w jaki projektujesz misję, całkowicie się zmienił”.