El parasol de cinco capas del James Webb. Créditos: NASA

En el día de ayer, sobre las 10 a.m. EST (15 UTC) los técnicos de la NASA iniciaron el despliegue de la primera de las capas del escudo solar del Telescopio James Webb, la capa mas grande y próxima al sol, con el tamaño aproximado de una cancha de tenis, que tiene el objetivo de mantener frio el telescopio para que pueda realizar su labor de observación en la banda de infrarojos.

A continuación se desplegaron la segunda y tercera capas, lo que llevó aproximadamente unos 70 minutos cada una.

«La fase de tensión de la membrana del despliegue del parasol es especialmente desafiante porque hay interacciones complejas entre las estructuras, los mecanismos de tensión, los cables y las membranas», dijo James Cooper, director de parasoles Webb de la NASA, con base en Goddard Space Flight Center. “Esta fue la parte más difícil de probar en tierra, por lo que se siente increíble que todo haya ido tan bien hoy. El equipo de Northrop y la NASA está haciendo un gran trabajo y esperamos tensar las capas restantes «.

Una vez desplegado por completo, el parasol protegerá al telescopio de la radiación solar. Alcanzará un máximo de aproximadamente 383 K, aproximadamente 230 grados F (110 ºC), mientras mantiene los instrumentos fríos a un mínimo de aproximadamente 36 K o alrededor de -394 grados F (-236 ºC).

The James Webb Space Telescope's Sunshield
El parasol separa el observatorio en un lado cálido que mira al sol (los modelos térmicos muestran que la temperatura máxima de la capa más externa es 383K o aproximadamente 230 grados F) y un lado frío (con la capa más fría con una temperatura mínima modelada de 36K o alrededor de -394 grados F). El parasol de cinco capas evita que la luz solar interfiera con los sensibles instrumentos del telescopio. El telescopio funciona por debajo de 50K (~ -370F) Foto: Northrop Grumman

Este parasol siempre estará entre el Sol / Tierra / Luna y el telescopio. Se puede colocar de esta manera porque JWST estará orbitando el Sol a 1,5 millones de kilómetros de (pero aproximadamente en línea con) la Tierra.

 Backplane location on webb
El parasol protege el telescopio de fuentes externas de luz y calor (como el Sol, la Tierra y la Luna).

El parasol permitirá que el telescopio se enfríe a una temperatura por debajo de 50 Kelvin (-370 ° F o -223 ° C) al irradiar pasivamente su calor al espacio. Los instrumentos de infrarrojo cercano (NIRCam, NIRSpec, FGS / NIRISS) funcionarán a aproximadamente 39 K (-389 ° F, -234 ° C) a través de un sistema de enfriamiento pasivo. El instrumento de infrarrojo medio (MIRI) funcionará a una temperatura de 7 K (-447 ° F, -266 ° C), utilizando un refrigerador de helio o un sistema de refrigeración criogénica.

Además de proporcionar un ambiente frío, el parasol proporciona un ambiente térmicamente estable. Esto es esencial para mantener la alineación adecuada de los segmentos del espejo primario a medida que el telescopio cambia su orientación hacia el Sol.

¿Por qué cinco capas?

¿Por qué el parasol tiene cinco capas en lugar de una sola gruesa? Cada capa sucesiva del parasol es más fría que la de abajo. El calor se irradia entre las capas y el vacío entre las capas es un muy buen aislante. Un parasol grande y grueso conduciría el calor de abajo hacia arriba más de cinco capas separadas por vacío.

El parasol está hecho de un material liviano con propiedades térmicas especiales, llamado Kapton, que también está especialmente recubierto.

El material plateado brillante del parasol de cinco capas es una hazaña compleja e innovadora de la ciencia y la ingeniería de los materiales. Cada capa está hecha de un material compuesto único, cada uno tiene un grosor y tamaño específicos, y deben estar separados con precisión en el espacio. Incluso hay costuras y refuerzos especiales para limitar el daño de los meteoritos. La NASA y sus socios industriales desarrollaron una forma ligera y robusta de proteger el telescopio y los espejos de la radiación infrarroja del sol en el material que forma el parasol. Algunas de las cosas que hacen que el parasol sea único son su material fuerte pero ultradelgado, su forma especial similar a una cometa y el papel especial de sus capas.

Los materiales

El parasol consta de cinco capas de un material llamado Kapton. Cada capa está recubierta con aluminio, y el lado que da al sol de las dos capas más calientes (denominadas Capa 1 y Capa 2) también tiene un revestimiento de «silicio dopado» (o silicio tratado) para reflejar el calor del sol de regreso al espacio. El parasol es una parte crítica del telescopio Webb porque las cámaras e instrumentos infrarrojos a bordo deben mantenerse muy fríos y fuera del calor y la luz del sol para que funcionen correctamente.

Kapton es una película de poliimida que fue desarrollada por DuPont a fines de la década de 1960. Tiene una alta resistencia al calor y se mantiene estable en un amplio rango de temperaturas desde menos 269 hasta más 400 Celsius (menos 452 a más 752 grados Fahrenheit). No se derrite ni se quema a las temperaturas más altas. En la Tierra, la película de poliimida Kapton se puede utilizar en una variedad de aplicaciones de aislamiento eléctrico y electrónico.

Las capas del parasol también están recubiertas con aluminio y silicio dopado por sus propiedades ópticas y longevidad en el entorno espacial. El dopaje es un proceso en el que se mezcla una pequeña cantidad de otro material durante el proceso de recubrimiento de silicio para que el recubrimiento sea eléctricamente conductor. El revestimiento debe ser conductor de electricidad para que las membranas puedan conectarse a tierra al resto de JWST y no acumulen una carga eléctrica estática en su superficie. El silicio tiene una alta emisividad, lo que significa que emite la mayor cantidad de calor y luz y actúa para bloquear el calor del sol para que no llegue a los instrumentos infrarrojos que se ubicarán debajo de él. Las superficies de aluminio altamente reflectantes también hacen rebotar la energía restante fuera de los huecos en los bordes de la capa del parasol.

Capas y forma de cometa

La forma de cometa y el número de capas de protección solar juegan un papel importante en el telescopio. Cada una de las diferentes capas se coloca y separa con precisión para cumplir su función.

«La forma y el diseño también dirigen el calor hacia los lados, alrededor del perímetro, entre las capas», dijo James Cooper, gerente de protección solar del telescopio espacial James Webb en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. «El calor generado por el bus de la nave espacial en el» núcleo «o centro, es expulsado entre las capas de la membrana para que no pueda calentar la óptica».

NASA's Webb Sunshield Stacks Up to Test!
Después del despliegue de un parasol de prueba de tamaño completo. Foto: Northrop Grumman

«Las cinco capas son necesarias para bloquear y redirigir el calor suficiente para que el telescopio alcance las temperaturas requeridas, con margen», dijo Cooper. «La quinta capa es principalmente para el margen contra imperfecciones, agujeros de micro-meteoroides, etc.» El espacio entre las capas proporciona un efecto aislante adicional.

Cada capa del parasol es increíblemente delgada. La capa 1 se enfrentará al sol y tiene solo 0,05 milímetros (0,002 pulgadas) de grosor, mientras que las otras cuatro capas tienen 0,025 mm (0,001 pulgadas). El espesor de los recubrimientos de aluminio y silicio es aún menor. El revestimiento de silicio tiene ~ 50 nanómetros (nm) (1,9 micro pulgadas) de espesor, mientras que el revestimiento de aluminio tiene ~ 100 nm (3,93 micro pulgadas) de espesor.

Las capas son de tamaños y formas ligeramente diferentes. La capa 5 (justo debajo del espejo primario) es la más pequeña y la capa 1 es la más grande. La capa 1 es relativamente plana y la capa 5 es más curva. Las capas están más juntas en el centro y más separadas en los bordes para dirigir el calor desde el centro hacia el exterior de las capas.

Los modelos térmicos muestran que la temperatura máxima de la Capa 1 es 383K. La temperatura máxima de la Capa 5 es 221K, y su temperatura mínima es un frío 36K.

La óptica del telescopio (como la cámara de infrarrojos y los espejos) debe protegerse siempre de la exposición directa a cualquier objeto caliente. Por lo tanto, las membranas están dimensionadas y colocadas de manera que los espejos solo tengan una línea de visión directa a la capa fría 5, mientras que el sol solo brilla directamente en la capa 1, sin importar hacia dónde apunte el observatorio.

Costura especial

Kapton for the Sunshield
Un trozo de Kapton mostrando costuras ripstop. Crédito: NASA

El material de la membrana es resistente, pero si tiene un pequeño desgarro o un agujero, el agujero podría volverse mucho más grande. Por lo tanto, existe un proceso especial llamado Thermal Spot Bond (TSB): áreas donde cada capa se funde. Además, las tiras de refuerzo de material de la membrana se unen por puntos térmicos a la membrana madre aproximadamente cada 6 pies aproximadamente, formando un patrón de cuadrícula de «topes».

«Se ha demostrado mediante pruebas que esto detiene un desgarro y evita que se extienda fuera de un área determinada de la cuadrícula», dijo Cooper. Entonces, si ocurre un agujero en una capa del parasol de un meteoroide, o un meteoro pequeño, el tamaño del daño es limitado. Estos no están destinados a detener un meteoroide, sino más bien a contener el área de daño.

Temperaturas extremas y el parasol

El material del parasol se contrae a medida que se enfría y las capas calientes se expanden. Cooper dijo: «La variedad Kapton minimiza esto en comparación con otras opciones de materiales. Hemos probado el material para saber cuánto se encoge. Esto lo explicamos tanto en nuestra fabricación como en nuestras predicciones de análisis de la forma que obtendremos en el espacio. . También hemos probado un parasol de cinco capas a una tercera escala a temperatura y vacío para verificar nuestras predicciones «.

Video que muestra las pruebas de implementación de los parasoles. Créditos: NASA
Este video muestra la construcción de estructuras especiales en el parasol que le dan forma para reflejar mejor el calor. Créditos: NASA

Articulo con fines divulgativos basado en la informacion en Inglés del blog del Webb y sobre su parasol
Créditos: NASA / ESA

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