Engineering en validering van de optica van NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope

Een optische technicus ligt op een duikplank die tussen de primaire en secundaire spiegels van NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope hangt. De foto is een geprojecteerde reflectie door het optische pad van de telescoop. De technicus schijnt een lichtstraal door het optische systeem naar de toekomstige locatie van het Wide Field Instrument, en laat zien hoe licht uit kosmische bronnen door de telescoop zal reizen zodra de missie van start gaat. (Afbeelding:NASA/Chris Gunn)

Wanneer de Nancy Grace Roman Space Telescope van de National Aeronautics and Space Administration (NASA) uiterlijk in mei 2027 wordt gelanceerd, zal deze dienen als een krachtig oog voor de diepe ruimte, waarbij beelden worden vastgelegd van miljarden verre sterrenstelsels en de mysteries van donkere materie, supernova's en andere kosmische verschijnselen worden onderzocht.

Het primaire doel van de Nancy Grace Romeinse ruimtetelescoop is om grote delen van de hemel snel en herhaaldelijk met hoge precisie te onderzoeken om de verdeling van normale (baryonische) materie en donkere materie in kaart te brengen en de snelheid van kosmische expansie in verschillende tijdperken in kaart te brengen om donkere energie te onderzoeken. Deze informatie is van cruciaal belang voor ons begrip van de oorsprong van het universum en om wetenschappers te helpen begrijpen wat er zal gebeuren in de verre toekomst van de snel uitdijende kosmos. Het zal ook gebruik maken van grote onderzoeken om planetaire systemen rond andere sterren te bestuderen om erachter te komen of zonnestelsels zoals het onze gebruikelijk, zeldzaam of misschien wel uniek zijn.

Deze foto toont de Optical Telescope Assembly voor de Nancy Grace Roman Space Telescope van NASA, die onlangs werd afgeleverd in de grootste cleanroom van het Goddard Space Flight Center van het agentschap in Greenbelt, Maryland. (Afbeelding:NASA/Chris Gunn)

In november 2024 werd een belangrijke programmamijlpaal bereikt met de levering van de volledig voltooide en geteste Optical Telescope Assembly (OTA) van L3Harris aan NASA. Deze hardware fungeert als de ‘ogen’ van het observatorium en verzamelt en conditioneert licht uit de kosmos voor gebruik door de twee instrumenten van de missie.

Als vertrouwde partner van NASA kreeg L3Harris de taak om de OTA te ontwerpen, fabriceren, integreren en testen. Dit omvat een primaire spiegel met een diameter van 2,4 meter en negen andere kleinere spiegels, robuuste constructies om de spiegels ten opzichte van elkaar uit te lijnen, en talrijke ondersteuningssystemen die nodig zijn om de telescoop in staat te stellen te presteren in de barre omgeving van de ruimte.

Vanaf het begin van het programma is de OTA ontwikkeld om te voldoen aan de uitdagende en unieke behoeften die NASA en de wetenschappelijke gemeenschap voor deze missie hebben uiteengezet. Een van de belangrijkste aandachtsgebieden van het telescoopteam was het ontwikkelen van de technologieën die nodig zijn om een ​​systeem te bieden dat kan voldoen aan de extreme optische stabiliteitsbehoeften van de missie. Dit omvatte de ontwikkeling van een nieuw gepatenteerd koolstofcomposietmateriaal met thermische uitzettingscoëfficiënten (CTE's) die lager zijn dan voorheen - zo laag dat er nieuwe technieken moesten worden ontwikkeld om de eigenschappen ervan te meten. Vanwege de extreem lage CTE zou een stuk van dit materiaal, zo lang als een voetbalveld, slechts 100 micron (de breedte van een mensenhaar) van lengte veranderen als de temperatuur met 100 graden Fahrenheit (55 graden Celsius) verandert.

Deze foto toont het volledige optische systeem voor NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope. Het bestaat uit 10 spiegels, inclusief de primaire spiegels van 2,4 meter die in deze afbeelding aan de basis te zien zijn, de zogenaamde imaging Optical Assembly (IOA). (Afbeelding:NASA/Chris Gunn)

Zelfs met zulke stabiele materialen moet de temperatuur van de telescoop consistent blijven om de missiedoelstellingen te bereiken. L3Harris heeft een nieuwe temperatuurdetectie- en controlearchitectuur ontwikkeld die belangrijke delen van de telescoop stabiel kan houden tot een paar duizendsten van een graad Celsius, zelfs als verschillende delen van het observatorium worden blootgesteld aan de zinderende hitte van de zon of worden geconfronteerd met de bijna absolute nultemperaturen van de ruimte. Dit ultramoderne thermische controlesysteem zorgt ervoor dat de structuren en optica in de telescoop ultrastabiel blijven (sub nanometer veranderingen in golffrontfouten) en nauwkeurige wetenschappelijke metingen blijven leveren, zelfs als er verschillende thermische extremen worden ervaren.

De OTA is zo ontworpen dat hij, zodra hij zijn uiteindelijke operationele bestemming, een miljoen kilometer van de aarde, bereikt, optimale optische prestaties zal leveren. Dat betekent dat het ontwerp zelfs rekening moest houden met de kleine effecten van de zwaartekracht op aarde en het afkoelen van de telescoop tot bedrijfstemperaturen. Ingenieurs van L3Harris voerden uitgebreide simulaties uit om de veranderingen te voorspellen die in de telescoop zullen plaatsvinden als deze van de zwaartekracht van de aarde bij kamertemperatuur naar de koude omgeving zonder zwaartekracht in de ruimte gaat. Met deze verwachte veranderingen wordt rekening gehouden tijdens het ontwerp, de fabricage en de uitlijning van de telescoopoptiek. Bovendien kunnen verschillende belangrijke optica worden verplaatst om correcties te bieden voor eventuele onbekenden in de voorspellingen.

Een computergegenereerde weergave van de voltooide Nancy Grace Roman Space Telescope, genoemd naar NASA's eerste directeur astronomie en heliofysica. (Afbeelding:NASA)

De OTA kwam begin 2024 in een kritische fase terecht toen de laatste optische uitlijning van de verschillende spiegels werd uitgevoerd. Dit vereiste dat de tien optieken met microscopische precisie ten opzichte van elkaar moesten worden uitgelijnd en gepositioneerd en vervolgens permanent op hun plaats moesten worden vergrendeld. Fouten in de uitlijning zo klein als een tiende van de breedte van het menselijk haar zouden de beeldprestaties van de telescoop verslechteren. Om een dergelijke extreme uitlijningsprecisie te bereiken, werd een speciaal camerasysteem, een interferometer genaamd, gebruikt om de spiegels met nauwkeurigheid op nanometerniveau te bewaken en feedback te geven tijdens dit cruciale uitlijningsproces.

Na de definitieve uitlijning onderging de telescoop rigoureuze dynamische tests die de extreme omstandigheden omvatten die hij zal ervaren als hij bovenop een raket de ruimte in wordt gelanceerd. Dit omvatte onder meer het onderwerpen van de telescoop aan akoestische geluidsniveaus die luider zijn dan wat je zou ervaren als je naast een straalmotor staat, en aan versnellingskrachten die meerdere malen hoger zijn dan wat de piloot van een straaljager ervaart tijdens manoeuvres met hoge g.

De laatste test die de OTA moest doorstaan was een thermische vacuümtest waarbij de prestaties van het systeem werden geëvalueerd terwijl het werd onderworpen aan omstandigheden die de barre omgeving simuleren die de OTA zal ervaren in de ruimte. Deze test vond plaats in een grote vacuümkamer in een L3Harris-fabriek in Rochester, New York. De binnenwanden van de vacuümkamer werden gekoeld met vloeibare stikstof om een ​​zeer koude omgeving te creëren, en de telescoop werd gekoeld tot temperaturen zo laag als -120 graden Fahrenheit (-85 graden Celsius). De OTA demonstreerde zijn vermogen om de gewenste temperaturen te behouden en tegelijkertijd voortreffelijke optische prestaties te leveren die aan alle eisen voldeden, met nog een marge over. Na de succesvolle voltooiing van deze test werd de OTA geleverd aan het NASA Goddard Space Flight Center om samen met de wetenschappelijke instrumenten en het ruimtevaartuig te worden geïntegreerd.

Wanneer de Romeinse ruimtetelescoop wordt gelanceerd, zal deze zich aansluiten bij de James Webb-ruimtetelescoop van NASA, die in een baan om het L2 Lagrange-punt draait – 1,5 miljoen kilometer (1 miljoen mijl) direct ‘achter’ de aarde, gezien vanaf de zon. Roman is ontworpen om samen te werken met de Webb-telescoop om complementaire wetenschappelijke waarnemingen uit te voeren die meer inzicht zullen verschaffen in kosmologische verschijnselen dan beide missies op zichzelf zouden kunnen bereiken. De Romeinse ruimtetelescoop zal grote delen van de hemel in beeld kunnen brengen met een vergelijkbare resolutie als de Hubble-ruimtetelescoop, maar zal dit 1000x sneller doen dan Hubble. Dit maakt onderzoeken van grote delen van de hemel met extreme precisie mogelijk om interessante doelen voor de Webb-ruimtetelescoop te identificeren.

Roman zal ook de meest stabiele grote ruimtetelescoop zijn die ooit is gebouwd, minstens 10x stabieler dan de Webb en 100x stabieler dan Hubble. Deze optische stabiliteit is een cruciaal kenmerk van het systeem dat wetenschappers in staat zal stellen fundamentele theorieën van de kosmologie te testen op manieren die nooit eerder mogelijk waren. En wanneer de ultrastabiele telescoop wordt gecombineerd met de coronagraaf, demonstreert deze belangrijke mogelijkheden op weg naar NASA's volgende vlaggenschip astrofysica-missie, het Habitable Worlds Observatory, en zijn doel om planeten te vinden die leven zouden kunnen ondersteunen.

De levering van de Roman Space Telescope OTA is de nieuwste mijlpaal in de langdurige samenwerking van L3Harris met NASA. Al meer dan 60 jaar levert L3Harris geavanceerde beeldvormingssystemen en andere oplossingen die de verkenning van het universum bevorderen. Van de Hubble-, Chandra- en James Webb-telescopen tot het Internationale Ruimtestation en Mars Rover, L3Harris heeft NASA bij elke stap begeleid en de grenzen van menselijke ontdekkingen verlegd.

Dit artikel is geschreven door Peter Miller, Chief Systems Engineer, L3Harris Technologies (Rochester, NY). Bezoek hier  . voor meer informatie