Engineering en Valideren van de Optica van NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope

Een optische technicus ligt op een springplank geschorst tussen de primaire en secundaire spiegels van NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope. De foto is een geprojecteerde reflectie door het optische pad van de telescoop. De technicus schijnt een lichtbundel door het optische systeem naar de toekomstige locatie van het Wide Field Instrument, waaruit blijkt hoe licht van kosmische bronnen door de telescoop zal reizen zodra de missie gelanceerd wordt. (Afbeelding: NASA/Chris Gunn)

Wanneer het op geen later dan mei 2027 gelanceerd wordt, zal de National Aeronautics and Space Administration (NASA) Nancy Grace Roman Space Telescope dienen als een krachtig oog op de diepe ruimte, met het vastleggen van beelden van miljarden verre sterrenstelsels en het verkennen van de mysteries van donkere materie, supernovae en andere kosmische fenomenen.

Het primaire doel van de Nancy Grace Roman Space Telescope is om grote gebieden van de hemel snel en herhaaldelijk in hoge precisie te inspecteren om de verdeling van normale (baryonische) materie en donkere materie te kartografieren en de snelheid van kosmische expansie in verschillende epochen te meten om donkere energie te onderzoeken. Deze informatie is cruciaal voor ons begrip van de oorsprong van het universum, en om wetenschappers te helpen begrijpen wat er in de verre toekomst van het snel expanderende cosmos zal gebeuren. Het zal ook grote inspecties gebruiken om planetenstelsels om andere sterren te bestuderen om te leren of zonnestelsels als de onze algemeen, zeldzaam, of misschien uniek zijn.

Deze foto toont de Optical Telescope Assembly voor NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope, die recent is geleverd aan de grootste schone ruimte bij het Goddard Space Flight Center van de organisatie in Greenbelt, Maryland. (Afbeelding: NASA/Chris Gunn)

Als een vertrouwde partner van NASA, was L3Harris belast met het ontwerp, fabricatie, integratie en testen van de OTA. Dit omvat een primaire spiegel van 2,4 meter (8 voet) diameter alsmede negen andere kleinere spiegels, robuuste structuren om de spiegels onderling uit te lijnen, en talloze ondersteuningssystemen noodzakelijk om de telescoop te laten presteren in de harde omgeving van de ruimte.

Vanaf het begin van het programma is de OTA ontwikkeld om aan de uitdagende en unieke behoeften te voldoen die NASA en de wetenschappelijke gemeenschap voor deze missie hebben gesteld. Een van de primaire focusgebieden van het telescoopteam was het ontwikkelen van de technologieën nodig om een systeem te bieden dat kon voldoen aan de extreme optische stabiliteitseisen van de missie. Dit omvatte de ontwikkeling van een nieuw eigen koolstofcomposietmateriaal met thermische uitdilatatiecoëfficiënten (CTE's) lager dan ooit bereikt – zo laag dat nieuwe technieken ontwikkeld moesten worden om de eigenschappen te meten. Vanwege de extreme lage CTE, zou een stuk van dit materiaal zo lang als een voetbalveld slechts 100 micron (de breedte van een menselijk haar) in lengte veranderen wanneer de temperatuur met 100 graden Fahrenheit (55 graden Celsius) verandert.

Deze foto toont het gehele optische systeem voor NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope. Het bestaat uit 10 spiegels, inclusief de 7,9-voet (2,4-meter) primaire spiegels die aan de basis in deze afbeelding te zien zijn, genaamd de 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 halen. L3Harris ontwikkelde een nieuwe temperatuursensing- en controle-architectuur die in staat is om sleutelgebieden van de telescoop stabiel te houden tot een paar duizendsten van een graad Celsius, zelfs terwijl verschillende delen van het observatorium blootgesteld zijn aan de brandende hitte van de zon of de bijna absolute nul temperaturen van de diepe ruimte. Deze state-of-the-art thermische controle zorgt ervoor dat de structuren en optica binnen de telescoop ultra-stabiel zullen blijven (sub-nanometer veranderingen in wavefront error) en blijven nauwkeurige wetenschappelijke metingen leveren zelfs tijdens het ervaren van verschillende thermische extremen.

De OTA is zo ontworpen dat zodra het zijn uiteindelijke operationele bestemming bereikt – een miljoen mijl van de aarde – het optimale optische prestaties zal hebben. Dat betekent dat het ontwerp rekening moest houden met zelfs de minieme effecten van zwaartekracht op aarde en de telescoop die afkoelt tot operationele temperaturen. Ingenieurs bij L3Harris voerden uitgebreide simulaties uit om de veranderingen te voorspellen die in de telescoop zullen gebeuren als het gaat van aardse zwaartekracht bij kamertemperatuur naar zijn koude, nul-zwaartekracht omgeving in de ruimte. Deze verwachte veranderingen worden meegenomen tijdens het ontwerp, de fabricatie en de uitlijning van de telescoopoptica. Daarnaast kunnen verschillende cruciale optica verplaatst worden om correcties te bieden voor onbekenden in de voorspellingen.

Een computergegenereerde rendering van de voltooide Nancy Grace Roman Space Telescope, genoemd naar NASA's eerste Directeur van Astronomie en Heliofysica. (Afbeelding: NASA)

De OTA trad begin 2024 een kritieke fase in toen de finale optische uitlijning van de verschillende spiegels werd uitgevoerd. Dit vereiste de 10 optica te aligneren en te positioneren ten opzichte van elkaar tot microscopische precisie en vervolgens permanent vast te zetten. Uitlijningsfouten zo klein als een tiende van de breedte van een menselijk haar zouden de beeldprestaties van de telescoop degraderen. Om dergelijke extreme uitlijningsprecisie te bereiken, werd een speciaal camerasysteem genaamd een interferometer gebruikt om de spiegels met nanometer-nauwkeurigheid te monitoren en feedback te geven tijdens dit cruciale uitlijningsproces.

Na de finale uitlijning, onderging de telescoop strenge dynamische tests die de extreme omgeving omvatten die het zal ervaren tijdens het lanceren in de ruimte op de top van een raket. Dit omvatte het blootstellen van de telescoop aan akoestische geluidsniveaus luidruchter dan wat ervaren zou worden staand naast een straalmotor, alsook versnellingskrachten verschillende keren hoger dan wat een jachtvliegpiloot ervaart tijdens hoge-g manoeuvres.

De finale test die de OTA moest doorstaan was een thermisch-vacuümtest waarbij de prestaties van het systeem geëvalueerd werden terwijl het blootgesteld werd aan omstandigheden die de harde omgeving simuleren die de OTA in de ruimte zal ervaren. Deze test vond plaats in een grote vacuümkamer bij een L3Harris-faciliteit in Rochester, New York. De binnenwanden van de vacuümkamer werden gekoeld met vloeibare stikstof om een erg koude omgeving te bieden, en de telescoop werd gekoeld tot temperaturen zo laag als -120 graden Fahrenheit (-85 graden Celsius). De OTA toonde zijn vermogen om de gewenste temperaturen te handhaven terwijl het exquise optische prestaties leverde die alle eisen met marge haalden. Na de succesvolle voltooiing van deze test, werd de OTA geleverd aan NASA Goddard Space Flight Center om geïntegreerd te worden met de wetenschappelijke instrumenten en het ruimtevaartuig.

Wanneer de Roman Space Telescope gelanceerd wordt, zal hij NASA's James Webb Space Telescope aansluiten in een baan om het L2 Lagrange-punt – 1,5 miljoen kilometer (1 miljoen mijl) direct "achter" de aardse zoals gezien vanaf de zon. Roman is ontworpen om in combinatie met de Webb Telescoop te werken om complementaire wetenschappelijke waarnemingen uit te voeren die grotere inzichten in kosmologische fenomenen zullen bieden dan elke missie op zich zou kunnen. De Roman Space Telescope zal in staat zijn om grote gebieden van de hemel te visualiseren met vergelijkbare resolutie als de Hubble Space Telescope, maar zal dit 1000x sneller doen dan Hubble. Dit maakt inspecties van grote hemelgebieden met extreme precisie mogelijk om interessante doelen te identificeren voor de Webb Space Telescope.

Roman zal ook de meest stabiele grote ruimtetelescoop ooit gebouwd zijn, ten minste 10x stabieler dan de Webb, en 100x stabieler dan Hubble. Deze optische stabiliteit is een kritische eigenschap van het systeem die wetenschappers in staat stelt fundamentele theorieën van cosmologie op manieren te testen die nooit eerder mogelijk waren. En wanneer de ultra-stabiele telescoop gecombineerd wordt met de coronagraaf, toont het cruciale capaciteiten op de weg naar NASA's volgende vlaggenschip astrofysica-missie, de Habitable Worlds Observatory, en zijn doel om planeten te vinden die leven kunnen ondersteunen.

De levering van de Roman Space Telescope OTA is de meest recente milestone in L3Harris' langdurige partnership met NASA. Voor meer dan 60 jaar heeft L3Harris high-tech beeldvormingssystemen en andere oplossingen geleverd die het universumverkennen vooruitgang bieden. Van de Hubble, Chandra en James Webb telescopiën tot het Internationaal Ruimtestation en Mars Rover, L3Harris is bij NASA geweest elke stap van de weg, de grenzen van menselijke ontdekking verlegend.

Dit artikel werd geschreven door Peter Miller, Hoofd Systeem Ingenieur, L3Harris Technologies (Rochester, NY). Voor meer informatie, bezoek hier.