Por Daniel Marín, el 21 octubre, 2021. Categoría(s): Astronáutica • Astronomía • NASA ✎ 122
Pocos objetos hay en el mundo que cuesten diez mil millones de dólares. Y uno de ellos es el Telescopio Espacial James Webb (JWST), la joya de la corona de la división de astronomía de la NASA. El James Webb es el instrumento astronómico más caro y complejo jamás diseñado por el ser humano. Después de quince años e innumerables retrasos y sobrecostes, el James Webb afronta su recta final antes de despegar el próximo 18 de diciembre desde la Guayana Francesa en un cohete Ariane 5 ECA+. El observatorio espacial llegó al puerto de Pariacabo de la Guayana a bordo del buque MN Colibrí, que transportó el preciado objeto desde las instalaciones de Northrop-Grumman en California a través del Canal de Panamá. Normalmente, los satélites se transportan en aviones de carga como el An-124 o el C-17, pero el Webb es tan grande que se tuvo que llevar en barco. El traslado no ha estado exento de polémica después de que se decidiese ocultar la fecha del viaje para evitar un posible secuestro por parte de… piratas. Sí, piratas, como lo oyes. Supongo que cuando llevas algo cuyo valor es de diez mil millones de dólares cualquier exceso de paranoia es comprensible.
Una estampa que parecía que nunca iba a llegar: el James Webb en la Guayana Francesa (ESA).
Pero lo importante es que el JWST ya está en la sala de espera listo para embarcar en su vuelo. Solo queda superar las pruebas finales y esperar que no existan más contratiempos. Precisamente, antes de que el JWST surque los cielos a bordo de su cohete en diciembre, el Ariane 5 debe despegar el 22 de octubre en la misión comercial VA255. Si todo sale bien en esta misión, como sería de esperar, el lanzamiento del JWST solo dependerá de sí mismo. En caso contrario… bueno, mejor no imaginar qué podría pasar en caso contrario. El Ariane 5 se eligió en su momento por ser un lanzador muy fiable y porque es parte de la contribución de la Agencia Espacial Europea (ESA) al proyecto. No olvidemos que en el JWST colaboran NASA, ESA y CSA (la Agencia Espacial Canadiense). Sin embargo, el «susto» que dio el Ariane 5 en la misión VA241 de 2018 y, más recientemente, ciertos problemas con la cofia, han creado algo de inquietud. En el caso de la cofia, el problema es un tanto sutil.
Ahí va un telescopio de diez mil millones de dólares. Llegada del JWST a Kourou (ESA).
Sacando al JWST de su contenedor en la Guayana (ESA).
Partes del James Webb (NASA).
Partes del James Webb (GAO).
Como en todos los lanzamientos, la cofia del Ariane 5 se expulsa cuando prácticamente se ha alcanzado el vacío y ya no tiene sentido seguir protegiendo la carga útil. Sin embargo, no se separa en un vacío perfecto, ya que se intenta conseguir un equilibrio entre las prestaciones del lanzador y la protección de la carga. Cuanto más tarde se separe, más protegida estará la carga útil, pero mayor impacto tendrá la masa de la cofia en la capacidad de lanzamiento del vector. Como resultado, se elige un punto óptimo en el que la carga esté protegida y no se penalice demasiado las prestaciones del cohete. Por tanto, la cofia se separa cuando todavía queda cierta cantidad de aire en el interior de la cofia, pero se considera despreciable.
El JWST y el Ariane 5 (ESA).
El James Webb plegado en la cofia (ESA).
El problema surgió en marzo de 2019, cuando los técnicos se dieron cuenta que esta cantidad de aire residual podía dañar las delicadas membranas del escudo solar (o térmico) del James Webb durante la despresurización generada por la separación de la cofia (sí, curiosamente a nadie se le ocurrió que esto fuese un problema grave hasta hace un par de años). Finalmente, se tomó la decisión de introducir un nuevo tipo de cofia que cuenta con unos orificios de mayor tamaño en la base para igualar la presión entre el interior y el exterior. Eso sí, las dimensiones de la cofia son similares a las de antes, 17 metros de longitud y 5,4 metros de diámetro. A principios de 2020 Arianespace probó primero esta nueva versión en un vuelo comercial del Ariane 5, pero, a raíz de la misma, se decidió aumentar todavía más el tamaño de los orificios porque los resultados no fueron totalmente satisfactorios. La nueva configuración también se puso a prueba en agosto de 2020.
Concepto de telescopio infrarrojo de 6 metros de 1990 (NRC, 1990 Decadal Survey, Garth Illingworth/NASA/ESA).
Longitudes de onda que serán observadas por el JWST y el área de los telescopios espaciales (NASA).
Uno de los conceptos iniciales del NGST con espejo desplegable de alrededor de finales de los 90 (NASA/ESA).
El James Webb nació a finales de los años 80 como una propuesta de observatorio espacial para estudiar el infrarrojo medio que complementase la labor del telescopio espacial Hubble, un telescopio espacial muy diferente que observa el ultravioleta, el visible y el infrarrojo cercano. El infrarrojo medio es una región del espectro que nos permite ver a través de las nubes de polvo y gas interestelares y, por tanto, comprender mejor los procesos de formación estelar y de planetas. Además, permite estudiar los objetos muy lejanos con un alto corrimiento al rojo que existían al comienzo del Universo, como las primeras estrellas y galaxias. La nueva generación de telescopios terrestres de gran tamaño hacían difícil justificar el enorme coste de un telescopio espacial que operase en el visible, como el Hubble, pero el ultravioleta y el infrarrojo medio son, y serán, regiones del espectro electromagnético vetadas a estos observatorios por culpa de nuestra atmósfera. En 1990 el informe Decadal Survey recomendó que el próximo gran telescopio espacial de la NASA fuese un observatorio infrarrojo refrigerado con un espejo primario de 6 a 10 metros de diámetros, siendo 8 metros la cifra favorita de compromiso (el espejo primario del Hubble tiene 2,4 metros). En 1995 las restricciones presupuestarias obligaron a reducir el tamaño del espejo primario a 4 metros de diámetro. Por otro lado, el telescopio contaría con un avanzado sistema de refrigeración pasiva que permitiría observar en el infrarrojo sin enfriar los instrumentos con helio o hidrógeno, prolongando su vida útil de forma considerable. A diferencia del Hubble, situado en órbita baja, el nuevo telescopio estaría situado en el punto de Lagrange L2 del sistema Tierra-Sol. De este modo se podrían controlar mejor las temperaturas del telescopio, aunque, a cambio, las posibles misiones de reparación como las que se lanzaron al Hubble serían casi imposibles.
Diseño del NGST de 200 (NASA).
El James Webb de principios de siglo, cuando se denominaba NGST y tenía un espejo de 8 metros de diámetro (ESA).
Región del espectro que estudiará el JWST (NASA).
En 1996 el proyecto, por entonces conocido como NGST (Next Generation Space Telescope), volvió a sufrir un cambio de diseño. El administrador de la NASA Dan Goldin consideró que un espejo de 4 metros era demasiado pequeño y presionó para volver a aumentar el tamaño hasta los 8 metros. Como el espejo no podía caber en la cofia de ningún lanzador, se optó por construir un espejo segmentado y plegable. El NGST de principios de siglo tenía una masa de 3,3 toneladas, frente a las 11 toneladas del Hubble, y su lanzamiento debía tener lugar entre 2007 y 2011. Lamentablemente, pronto el coste del proyecto se disparó de los cerca de mil millones de dólares originales a casi 3500 millones. La razón era que jamás nadie había intentado construir un telescopio espacial tan ambicioso y complejo. El NGST/JWST fue diseñado como un origami metálico para que cupiese en la cofia del Ariane 5, con multitud de elementos desplegables que no podían fallar o la misión terminaría un fracaso. Por si fuera poco, debido a su gran tamaño era imposible probar el despliegue de muchos sistemas en una cámara de vacío. Asegurarse de que todas estas partes se desplegarán correctamente a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra en el momento preciso tiene un precio, o, mejor dicho, un precio que nadie supo calcular.
Diseño del JWST de 2004 (ESA).
Diseño del James Webb de 2009 (ESA).
Para mediados de la primera década de este siglo, el tamaño del espejo se redujo otra vez a los 6,5 metros de diámetro y en 2002 el observatorio se bautizó oficialmente como James Webb, en honor del segundo administrador de la NASA y uno de los mayores impulsores del programa Apolo. El coste del JWST continuó subiendo y subiendo hasta alcanzar los 6500 millones. En 2011 el telescopio estuvo a punto de ser cancelado por el Congreso de los Estados Unidos, aunque finalmente se logró un compromiso gracias a una intensa campaña a favor del proyecto por parte de la comunidad científica. Como resultado, se estableció una cifra límite de 8 mil millones de dólares, una línea roja que el telescopio no debía superar. Al mismo tiempo, la fecha de lanzamiento se retrasó de 2016 a 2018. Para entonces, el James Webb ya se había «comido» todo el presupuesto de la división astronómica de la NASA, lo que obligó a cancelar o posponer muchas otras misiones, como el observatorio WFIRST (actualmente conocido como Nancy Grace Roman). Durante unos años las cosas parecían ir bien, pero en septiembre de 2017 el lanzamiento se retrasó a junio de 2019. En 2018 y, para sorpresa de absolutamente nadie, el lanzamiento del James Webb se volvió a posponer. Este retraso trajo consigo saltarse la sacrosanta barrera de los 8 mil millones de dólares impuesta por el Congreso. Ahora el telescopio debía despegar en mayo de 2020, aunque casi inmediatamente se retrasó de nuevo a una fecha comprendida entre noviembre de 2020 y marzo de 2021. Lógicamente, tampoco nadie se sorprendió cuando el proyecto se retrasó por enésima ocasión a octubre de 2021. Esta vez, la excusa fue la pandemia de covid-19, que tuvo un impacto considerable en Northrop-Grumman. Y, no, este no sería el último retraso, pues finalmente se decidió poner la fecha de lanzamiento en diciembre de 2021.
Telescopio espacial JWST (NASA).
Diseño definitivo del telescopio espacial JWST de 2011 (NASA).
Partes del JWST (NASA).
En 2018 se hicieron públicas varias «historias de terror» del contratista principal del proyecto, la empresa Northrop-Grumman. Por un lado, durante las pruebas de despliegue de las membranas de kaptón del escudo térmico aparecieron grietas debido a un «error humano» y, además, luego se comprobó que uno de los seis sistemas encargados de desplegar el escudo se había bloqueado, por lo que fue necesario cambiar la configuración de los cables empleados para el despliegue (el nuevo diseño sería aprobado en mayo de 2019). También se tuvieron que sustituir 8 válvulas defectuosas de un total de 16 en los propulsores del vehículo y un técnico inutilizó los sensores encargados de medir el nivel de combustible de la nave al aplicarles un voltaje demasiado elevado, entre otros problemas técnicos. Northrop-Grumman se quejó de que estos contratiempos habían salido a la luz para usarles como cabeza de turco en los retrasos, pero, en cualquier caso, la integración del observatorio siguió su curso.
Analizando uno de los 18 segmentos del espejo primario (NASA).
Espejos del JWST (NASA).
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El escudo térmico del James Webb durante las pruebas de despliegue en tierra (NASA).
En 2011 ya se habían fabricado los espejos de la óptica del JWST, incluidos los 18 segmentos del espejo primario y en 2013 comenzó la fabricación de las láminas del escudo térmico. La óptica se integró en 2016 y un año más tarde se finalizó la integración de los instrumentos con el telescopio propiamente dicho. En 2019 se procedió a la integración de todos los elementos del telescopio. Durante 2020 y principios de 2021 el telescopio fue sometido a todo tipo de pruebas antes de ser plegado y empaquetado de cara al traslado a la Guayana Francesa. En los últimos meses una nueva polémica ha enturbiado el proyecto a raíz de la protesta de varios activistas que han querido presionar a la NASA con el objetivo de cambiar de nombre al observatorio al considerar que el bueno de James E. Webb había sido un homófobo y un misógino. Tras un breve escándalo en las redes sociales, la NASA hizo oídos sordos a las peticiones y el JWST seguirá siendo el JWST.
La tecnología hecha arte. Contemplad la perfección de la óptica del JWST (NASA).
Historia de la integración del James Webb (GAO).
Óptica principal del James Webb (NASA).
Espejo primario y secundario del James Webb (NASA).
El James Webb completo con las 5 capas del escudo térmico desplegado en 2019 (NASA/Chris Gunn).
Polémicas aparte, el James Webb es una máquina excepcional que revolucionará todos los campos de la astrofísica, como en su día hizo el Hubble. Sus objetivos principales son la detección directa de la luz de las primeras estrellas y galaxias, los procesos de formación estelar y de planetas, la evolución y la dinámica de las galaxias y el estudio de exoplanetas, incluyendo, en algunos casos, el análisis de la composición de sus atmósferas y la búsqueda de biomarcadores. También observará cuerpos de nuestro sistema solar y contrapartidas ópticas de sucesos de altas energías, entre otros muchos fenómenos celestes. El JWST logrará todo esto gracias a cuatro instrumentos principales: NIRCam NIRSpec, MIRI y FGS/NIRISS, que cubrirán el rango espectral de 0,6 a 28,5 micras. NIRCam es una cámara que trabajará en el infrarrojo cercano, mientras que NIRSpec es un espectrómetro que también observará esta región del espectro. MIRI funcionará como cámara y espectrómetro en el infrarrojo medio, mientras que FGS/NIRISS se encargará del guiado fino que requiere el telescopio y también servirá como espectrómetro de infrarrojo cercano.
Instrumentos del JWST (NASA).
Óptica del JWST (NASA).
Al operar en el infrarrojo, el JWST es una herramienta única que ningún observatorio terrestre podrá igualar, sin importar su tamaño. Aunque, lógicamente, el trabajará codo a codo con otros observatorios, incluido el Hubble. El James Webb es un observatorio de 6,2 toneladas —casi el doble de lo inicialmente previsto— y tiene unas dimensiones de 21 x 14 metros una vez desplegado el escudo térmico. El espejo principal de 6,5 metros, construido por Ball Aerospace, está formado por 18 segmentos hexagonales fabricados en berilio y cubiertos por una fina capa de oro de solo 700 átomos de espesor (sí, 700 átomos). El escudo solar para control térmico está formado por cinco capas de kaptón que permiten mantener una temperatura de -234 ºC en la parte interior a pesar de que la exterior estará a 125 ºC. NIRCam, NIRSpec y FGS/NIRISS funcionarán a esta temperatura de -234 ºC, mientras que MIRI, que observa longitudes de onda más largas, requerirá refrigeración mediante helio para alcanzar -266 ºC, o sea, tan solo 7 kelvin por encima del cero absoluto. La ESA contribuye con cerca del 15% del presupuesto del telescopio y, por tanto, recibirá el mismo porcentaje de tiempo de observación. La Agencia Espacial Europea ha contribuido con el instrumento NIRSpec y la mitad del instrumeno MIRI, además de proporcionar el Ariane 5. Por su parte, Canadá contribuye con el instrumento FGS/NIRISS y recibirá menos del 5% del tiempo de observación. El centro Goddard de la NASA está a cargo de la gestión del proyecto.
Elementos del JWST (GAO).
Partes del JWST (NASA).
Elementos del JWST (ESA).
Los nervios acumulados después de tantos años no desaparecerán una vez el James Webb alcance la órbita el próximo 18 de diciembre. En ese momento comenzarán los «treinta días de terror» hasta el punto L2, durante los cuales una serie de sucesos críticos deberán tener lugar en el momento justo para asegurar el éxito de la misión. Primero se desplegará el único panel solar y, 12 horas tras el lanzamiento, tendrá lugar la primera maniobra de corrección de la trayectoria. Un día más tarde se desplegará la antena de alta ganancia. Dos días después del despegue se llevará a cabo la segunda maniobra y a los tres días comenzará el despliegue del escudo térmico delantero, seguido unas horas después por el trasero. A los cuatro días la torre con la óptica y los instrumentos se separará del bus y el escudo térmico, mientras que al día siguiente comenzará el crítico despliegue de las membranas del escudo. En el sexto día de misión se tensionarán estas membranas y se separarán entre ellas. En el día 11 se desplegará el espejo secundario y, al día siguiente, las dos «alas» de tres segmentos del espejo principal. Luego comenzará un arduo proceso de puesta en servicio del observatorio y, ya en 2022, veremos las primeras imágenes de esta máquina alucinante.
Secuencia de despliegue del JWST (NASA).
El viaje al punto L2, a 1,5 millones de km de distancia (NASA).
Si este proyecto no te emociona es que no tienes sangre en las venas. Porque, dejando a un lado sus retrasos y complicaciones, el James Webb representa lo mejor de la humanidad y es un ejemplo de las maravillas que este grupo de simios puede hacer cuando nos ponemos a ello. Durante los próximos años y décadas hablaremos sin parar de las imágenes que nos proporcionará esta extraordinaria máquina y nos sorprenderemos con los espectaculares descubrimientos que protagonizará. Hemos llegado hasta aquí después de tres décadas de arduo trabajo por parte de miles de hombres y mujeres. El próximo 18 de diciembre la humanidad pondrá en órbita la mejor herramienta que ha concebido para desentrañar los misterios del Universo. No puedes perdértelo. La era del James Webb está a punto de comenzar.
Vía: https://danielmarin.naukas.com/2021/10/21/la-recta-final-del-james-webb-la-historia-del-telescopio-espacial-mas-complejo-concebido-por-el-ser-humano/