В течении года мы рассказывали о новостях астрономии, космонавтики и физики. Космическая обсерватория имени Джеймса Уэбба - сочетает все эти три темы, поэтому итоги года начинаем подводить с нее. А начинаем начинать с конструкции и стоимости телескопа.
James Webb Space Telescope (JWST) - это зеркало размером с лимузин Mercedes-Maybach под солнечным зонтиком размером с теннисный корт, которое передает на расстояние порядка 160 поездок Москва - Владивосток объем научных данных равный игре Геншин Импакт (для ПК) в сутки. Стоит ли эта машина золота из которого сделана?
Золотые соты
Уменьшение габаритов
Самая яркая черта телескопа - сегментированное зеркало из 18 шестигранных золотых пластин. Довольно очевидная цель разделения главного зеркала на сегменты - экономия объема: чем плотнее удастся свернуть телескоп под обтекателем ракеты, тем более эффективно будет использовано пространство под полезную нагрузку. И эта цель была достигнута - по одному ряду боковых панелей были сложены на Земле и развернуты в космосе. Удалось зеркало диаметром 6,6 метров уместить под обтекатель диаметром 5,2 метра.
Больше точность на меньшей площади
Однако, у подхода по разделению сложной оптики на сегменты есть и другие преимущества. Например, соблюсти точность геометрии по всей поверхности проще у небольшого сегмента, чем у большого зеркала целиком. С такой проблемой столкнулся предшественник Джеймса Уэбба - космический телескоп Хаббл: его главное зеркало оказалось слишком плоским по краям, а для того чтобы собирать все лучи точно в одной точке, поверхность должна быть строго параболической. В итоге, Хабблу пришлось одеть огромную линзу, как человеку с проблемным зрением.
Надежность
Гарантировать как точность, так и сохранность зеркал в виде фрагментов для Джеймса Уэбба гораздо сложнее, чем, например, для Хаббла, ведь он расположен на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли. Произвести ремонт и даже дозаправку JWST невозможно. Лучше потерять один фрагмент зеркала в результате проблем с точностью или механическими повреждением, чем весь телескоп целиком. В мае 2022 года один из сегментов космической обсерватории был пробит микрометеоритом, после чего аппарат продолжил работу.
Адаптивная оптика
Пластины секторов главного зеркала сделаны из бериллия - легкого и прочного металла. Они имеет ячеистую структуру и снабжены приводами, способными менять геометрию, изгибая сегмент. Формой главного зеркала Джеймса Уэбба управляют 132 привода. Добиться такого уровня адаптивности проще для сегментированной оптики. По этой причине составные зеркала применяют не только в космосе, но и для наземных телескопов, которым не нужно экономить место и можно легко обслуживать. Например, черезвычайно большой телескоп диаметром 39,3 м состоит из 798 шестиугольных сегментов диаметром 1,4 метра каждый. На научные успехи это объекта ученые возлагают надежды не меньшие, чем на результаты Джеймса Уэбба.
Бериллиевые пластины покрыты тонким слоем золота, толщиной всего в 700 атомов. Это фильтр, отражающий инфракрасный и видимый спектр излучения. Именно золото дает медовый цвет сотам Джеймса Уэбба. А шестигранная форма - это просто плотная упаковка сегментов - геометрия, при которой зазор между элементами будет минимальным.
Происхождение технологии
Любопытно, что оригинальная технология сегментированной оптики - проект Advanced Mirror System Demonstrator имел двойное назначение: для гражданских и военных целей. Разработка предназначалась для спутников инфракрасной разведки и ударного спутника Space Based Laser (SBL). Зеркало задуманное для боевого лазера сейчас смотрит вглубь вселенной с исключительно плюралистическими целями.
Ромбовидный зонтик
Все научные инструменты космического телескопа инфракрасные. Тепловое излучение, которое необходимо фиксировать, доносится либо от очень тусклых объектов, как например, экзопланеты, либо от очень далеких, как другие галактики. А у нас рядом рядом расположен очень мощный источник тепла - Солнце. Более того, солнечные батареи телескопа должны быть освещены, для производства энергии, а научные инструменты полностью изолированы от паразитного тепла. Для этой цели телескоп снабжен теплозащитным экраном.
Теплозащитный экран состоит из 5 слоёв полиимидной пленки, покрытых алюминием, а первые два "горячих слоя" усилены кремнием. Кстати, на основе этого материала пленки производят «янтарный скотч». Можно прикупить себе крупицу космических технологий в ближайшем магазине для электриков.
Ромб размером примерно с корт для большого тенниса - 21,1 х 14,6 метров, был упакован в цилиндр диаметром 5,5 метров на Земле и развернут до полного размера в космосе при помощи 90 натяжных тросов.
Солнечный зонтик очень эффективно блокирует тепло, он рассчитан на разницу в 360 градусов Цельсия между освещенной и темной сторонами экрана. Прямо сейчас температура "дневной" части Уэбба 50 градусов, а самой холодной "ночной" части за экраном минус 267 градусов.
Дифракционные дефекты на снимках
Если приглядеться к звездам на фотографиях Джеймса Уэбба, то можно заметить шесть больших лучей и три маленьких, исходящих из каждого яркого объекта на снимке. Очевидно, звезды так не выглядят. Что в конструкции телескопа создает такие искажения?
Самые заметные лучи создает шестигранная форма сегментов и всего главного зеркала целиком. Это дифракционная картина, вызванная взаимодействием лучей света самих с собой в результате отражения и преломления. Например, выпуклая линза в солнечный день на столе создает рисунок - кольца Ньютона. А шестигранная линза продемонстрировала бы нам лучи прямиком с фотографий Джеймса Уэбба.
Вторая группа из трех небольших лучшей - это дифракция света, огибающего опоры вторичного зеркала. Они расположены в виде буквы Y и если бы свет не так хорошо обходил препятствия, мы бы видели на всех снимках большую тень в форме Y. К счастью, снимки получаются полноценными, а дефект от стоек вторичных зеркал - небольшим.
Накладываясь друг на друга два вида дефектов создают фирменный почерк JWST в виде шестиконечных звезд с перекладиной.
Стоимость
Изначально запуск Джеймса Уэбба планировали на 2007 год, а бюджет составлял 500 миллионов долларов. В 2011 году конгресс США предложил закрыть проект телескопа из-за плохого управления и превышения бюджета. Спустя 25 лет от начала создания к запуску в 2021-м стоимость космической обсерватории нового поколения составила 10 миллиардов долларов.
Такие суммы бесконечно далеки от трат, которые обычный человек может себе представить. Выражать бюджеты меганауки в бигмаках не показательно. Поэтому предлагаю сравнить затраты на производство Джеймса Уэбба с самыми дорогими научными проектами в истории по версии журнала Forbes.
10. Национальная зажигательная лаборатория США, $ 3,5 миллиарда
Это научный комплекс по исследованиям термоядерного синтеза, инициируемого лазерным излучением в национальной лаборатории им. Лоуренса в городе Ливермор в штате Калифорния. В 2022 году лаборатория объявила о первом в мире энергетически выгодном термоядерном синтезе. Впрочем, считать взрыв болванки 192-я лазерами управляемым синтезом язык не поворачивается назвать. А сама лаборатория построена для военных целей - незаметных подземных ядерных испытаний без необходимости взрывать бомбы на поверхности.
9. Генетический "телескоп", $ 4 миллиарда
Проект "геном человека" был запущен в 1990 году и был рассчитан на 15 лет: генетики по всему миру взяли на себя задачу выделить последовательность человеческих генов. Проект завершился успехом раньше срока - в 2003 году. Люди оказались не так уж и сложны: генетики предполагали порядка 1 миллиона генов, а в результате было выделено около 20 000. Теперь дело за малым - полностью расшифровать полученный геном.
8. Большой адронный коллайдер, $ 6 миллиардов
Большой адронный коллайдер является крупнейшим и самым мощным ускорителем частиц в мире. Он был запущен 10 сентября 2008 года и с тех пор из него на физиков льются новые частицы как из рога изобилия. БАК состоит из 27-километрового кольца сверхпроводящих магнитов с рядом ускоряющих структур. В ЦЕРН заняты странными делами порядка 10 000 физиков. К сожалению, российская наука в БАК с 2024 года окончена.
7. Хаббл, $ 7 миллиардов
Стоимость космического телескопа старого поколения оценена в 2,5 миллиарда долларов на момент запуска. По некоторым данным из интернета эксплуатационные расходы Хаббл превысили 10 миллиардов долларов еще в 2010 году. Хаббл продолжит работу до 2026 года, а в 2030-м должен быть утилизирован - сведен с орбиты в целях безопасности, что тоже не бесплатно. В результате суммарные затраты жизненного цикла Хаббла могут превысить аналогичную сумму для Джеймса Уэбба.
6. Skylab, $ 14 миллиардов
Космическая станция США, которая вращалась вокруг Земли с 1973 по 1979 год. Прославилась первым и пока единственным "бунтом на корабле" в космосе.
5. Международный экспериментальный термоядерный реактор, $ 16 миллиардов
ITER - международный проект по созданию термоядерного реактора в виде тороидальной камеры с магнитным удержанием плазмы. На этот проект делают ставку многие физики в вопросе запуска управляемой термоядерной реакции, которую можно будет включать и выключать в любой момент времени. Сооружение находится в Провансе во Франции. В эксперимент входят 13 стран, включая Россию, которая стояла у истоков проекта еще с 1980-х годов. Скорее сего, ITER достроят в 2025 году.
4. Манхэттенский проект, $ 30 миллиардов
В начале 20 века около 80 % людей в мире не умели читать, нейтрон открыли в 1932 году, а в 1945 году мир дважды содрогнулся от ядерного взрыва. Буквально на глазах одного поколения человечество превратилось из малограмотных фермеров в разрушителей миров.
3. Международная космическая станция, $ 100 миллиардов
МКС с нами с 1998 года, когда на орбиту был выведен первый функционально-грузовой блок "Заря". А закончит свое существование станция, скорее всего к 2030 году. Космический центр NASA имени Линдона Джонсона опубликовал конкурс подрядчиков для свода МКС с орбиты. Раньше ходили слухи о том что станцию после окончания официальной эксплуатации могут отдать частникам для туристических целей. К сожалению, слухи не подтвердились.
2. Программа Аполлон, $ 156 миллиардов
Лунная гонка была самым интересным событием 20 века, на мой взгляд. Никогда до или после страны так жестко не конкурировали в научном проекте, не имеющем совершенно никакого военного применения. К счастью, на нашем веку готовится развернуться вторая лунная гонка. Возможно, космическое господство уже не на кону, научный мир пришел от конкуренции к сотрудничеству, но все же, мы застанем чудесные времена.
1. Программа космических шаттлов , $ 174 миллиарда
Проект Space Shuttle просуществовала с 1971 по 2011 год. За 40 лет было произведено 135 пусков, в том числе две катастрофы. Больше всего полетов, а так же самый интересный полет - доставку телескопа Хаббл на орбиту совершил шаттл "Дискавери". Еще конструкция шатала оставила след в истории невероятно мощными твердотопливными ускорителями (мы сравнили самые большие ракеты в истории в статье про Starship).
0. Колонизация Марса, $ 10 триллионов
Стоимость марсианской гонки космические эксперты оценивают приблизительно как бесконечность. Приведенную выше сумму ответил лектор Летней космической школы на мою просьбу сделать более оптимистичный прогноз. К сожалению, никакого серьезного расчета за этим ответом не стоит и пока такой расчет не предвидится. Остается только надеяться на удешевление межпланетных технологий. А пока траты на телескоп Джеймса Уэбба на фоне марсианских расходов кажутся весьма скромными.
Что еще почитать о конструкции Джеймса Уэбба?
- Интерактивную 3D-модель телескопа Джеймса Уэбба и его положение на карте солнечной системы можно посмотреть тут.
P.S.: Материалы на которые даны ссылки в этой статье - на английском языке. Мне кажется, у наших читателей нет с этим проблем. Если все таки есть, напишите в комментариях и рано или поздно мы сделаем авторский перевод.
Диалог с уважаемым читателем
Читатель из нижних интернетов понял статью неправильно. Но не потому что он дурачок, а наоборот - специалист отрасли и размышляет своеобразно, задает интересные вопросы. Ниже привожу наш диалог не дословно, в утрированном виде. Будет интересно тем, кто интересуется системой менеджмента качества в науке и промышленности.
В статье сказано, что завод Перкин-Элмер допустил дефект зеркала Хаббла из-за его большого размера, а на самом деле это халатность одного человека.
Неверно. В статье дается отдельно мое профессиональное мнение - контроль качества большого объекта сложнее чем у маленького. Второй факт - зеркало Хаббла пострадало из-за недостатка контроля качества. Если на результат вашего производства или научной работы может повлиять один человек - конструктор, испытатель, руководитель проекта или даже директор-владелец-царь-хозяин-демиург, - это значит, что системы качества у вас нет. Без системы менеджмента никакие технические средства не помогут, в том числе разделение зеркала на сегменты никак не помогло бы Хабблу. Если вы сделали такие выводы читая статью, разделайте их обратно.
Оптику проверяют дифрактометром - одно измерение показывает дефекты всего зеркала, поэтому большое зеркало проще изготовить чем 18 маленьких.
Почти верно - изготовить на Земле монолитное зеркало в 2,4 метра проще чем сегментированное такого же размера. Про зеркала от 6,6 до 8 метров - вопрос спорный, более 8 метров - это неверно, но суть статьи не в этом. Узкое место создания космического телескопа не в сложности изготовления, а в сложности контроля. Эффективный менеджмент рисков экспоненциально усложняется с ростом размеров объекта контроля.
Измерение одним лишь дифрактометром - неверно. Точная металлообработка никогда не проврется одним методом. И любые точные измерения тоже.
Почему так, ведь оптические методы очень точны? Зачем использовать еще и механические микрометры, ультразвук и визуальный контроль?
Так работает менеджмент рисков. Связка человек-прибор-образец-окружение иногда выдает как ложноположительные, так и ложноотрицательные результаты проверок, при любой точности измерений. Если вы знаете источник проблемы - это не риск. Это то, что система менеджмента качества должна гарантировано избежать. Например, влияние халатности сотрудников. А риск - это утечка достоверности неизвестной природы. Избавиться от риска нельзя. Единственное что можно сделать - закидать его проверками и надеяться на лучшее. Систематическая утечка достоверности с большим шансом будет допущена при однотипных проверках, поэтому качественные испытания всегда опираются на разных людей, разные средства измерения, разные методы и межлабораторное сличение - то есть разное окружение.
И все же, одно измерение точным прибором более достоверно чем 18 повторных измерений?
Для сферических исследований в вакууме - нет, 18 повторных измерений более надежны. Стабильность - критерий качества проведения экспериментов. Если вы постоянно работаете на стенде, то легче замечаете аномальные результаты, даже те что в пределах допуска.
Но реальные исследования - это всегда множество измерений как повторных одних и тех же, так и с заменой людей, приборов, лабораторий. Так что, в реальности разницы нет - что одно измерение, что 18 одинаково надежны.
Почему тогда контроль большого объекта сложнее?
Виновата физика. Метровый сегмент зеркала Джеймса Уэбба соответствует теории Сен-Венана, его можно представить как набор прямых линий, которые смещаются друг относительно друга под нагрузкой, но не становятся кривыми. А вот металлический круг 6,6 метров уже гнется как резиновая балка, вибрирует на своей частоте. Механические напряжения распространяются в большом твердом объекте очень хорошо, а в 18-и меленьких - граница раздела эти напряжения останавливает. Поэтому и специально изгибать приводами большое зеркало можно в куда меньших пределах и его случайные изгибы вероятнее и опаснее. Все точные работы, а особенно измерения, проходят в контролируемых климатических условиях. Климатическая камера метр на метр на метр - простая и надежная. Сохранить равномерный градиент температур, влажности и давления в комнате 10 на 10 на 6 метров - серьезная техническая задача. Масса большой болванки - самая банальная техническая трудность. Тяжелую штуку и руками неудобно брать и другие объекты она продавливает и риски связанные с подвесным устройством возрастают. Все это не значит, что одно большое зеркало труднее на Земле отполировать чем сделать согласованную подвижную систему из сегментов, тут все наоборот. Система менеджмента рисков большого зеркала будет такой сложной, что проще сделать технически более сложное сегментированное зеркало, чем гарантировать сохранность одного большого.
Зеркало Джеймса Уэбба разделили на сегменты только для уменьшения габаритов и массы.
Неверно. Джеймс Уэбб больше по габаритам Хаббла и при этом легче. Ученые достигли этого за счет новых материалов - бериллия, новых форм - ячеистой геометрии всех крупных элементов и того что Уэбб абсолютно голый - у него нет никаких механических защитных средств, а солнечный зонтик состоит, в основном, из пустоты. Монолитное зеркало Джеймса Уэбба весило бы меньше сегментированного: стыки массы не имеют, а вот механизм независимого подвеса 18 секторов имеет.
Габариты, действительно играют роль. Обтекатель Falcon 9 один из самых больших с диаметром 5,2 м. Если сделать его еще больше, массу полезной нагрузки пришлось бы снизить из-за высокого сопротивления. Но если бы монолитное зеркало было всем лучше сегментированного, такую задачу удалось бы решить проще, быстрее и в сотни раз дешевле чем обошлось строительство очень сложной системы Уэбба.
Сегментированное зеркало надежнее монолитного только если есть возможность заменить сегмент.
Неверно. У системы зеркал Джеймса Уэбба множество инструментов как для менеджмента качества, так и для менеджмента рисков, невозможных для монолитного зеркала.
Менеджмент качества это известные проблемы, с которым придется бороться. Например, метеориты. Точка L2 притягивает объекты, которые там рядом летают, микрометеориты в том числе. Если пробить монолитный твердый объект достаточно большим камнем, трещина будет распространяться неограниченно. А в пробитом сегменте - только в пределах сегмента. Кроме того, все сегменты подвижны и их положение можно перестроить после получения повреждения. Кроме того, на маленьких сегментах суммарно можно поставить больше приводов (из-за меньших механических напряжений), изгибающих форму, чем тоже можно сгладить проблемные участки.
Менеджмент рисков заключается в том, что вся эта подвижность и гибкость страхует и от непредвиденных проблем. Например, несмотря на весь контроль, в космос долетел дефектный сегмент - его можно подвинуть, погнуть или вообще забыть про него. Сегмент мог пострадать от вибраций, топологического дефекта литья, который пропустили, человеческого фактора и даже инопланетяне грязными пальцами могли его загадить. Сложная, подвижна, гибкая система с барьерами для распространения механических напряжений - лучше справится с неизвестной угрозой.
Большие монолитные зеркала в оптике - ширпотреб, их делают давно и в больших количествах.
А какое это высказывание имеет отношение к теме статьи? Для космических обсерваторий это неверно по множеству причин. В принципе, космические запуски - это всегда испытательные полеты. Ширпотреба в космосе - нет. Запуск в космос борща - это сложно, дорого, рискованно. Для обсерваторий на пределе научных возможностей ученых - умножайте все это на 1 000. Список космических телескопов скромен и монолитных зеркал для оптического диапазона размером с зеркало Хаббла там почти нет, а больше и тем более. Так что, какие бы зеркала не создавали на Земле, отправить их в космос - задача другого порядка сложности. И еще один порядок сложности можно накинуть для сохранности при космической транспортной тряске большого монолитного твердого объекта. Размер в космосе имеет значение.
Разглядывая инфографику, сравнивающую размеры крупных телескопов можно заметить, что на 8 метрах амбиции по созданию монолитных зеркал заканчиваются. И даже сравнимого размера телескопы часто делают сегментированными. И это в идеальных земных условиях, где цена ошибки существенно меньше космической. Либо это заговор инженеров, либо сегментированная технология действительно имеет преимущества не связанные с габаритами и весом. Надеюсь, что, по крайней мере, выгоды связанные с менеджментом качества и рисков поле прочтения этой статьи стали для вас очевидны.
Желаю всем высокого качества и низких рисков в новом году!
Автор статьи — физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал