Gli astronomi affermano che i nuovi telescopi dovrebbero trarre vantaggio dal “modello di veicolo spaziale” – Ars Technica

C’è consenso tra i principali astronomi americani sul fatto che la prossima ondata di grandi osservatori della NASA dovrebbe sfruttare le capacità di sollevamento rivoluzionarie fornite da nuovi razzi giganti come la Starship di SpaceX.

Un successivo lancio del James Webb Space Telescope (JWST) sulla navicella spaziale, ad esempio, potrebbe liberare la missione da ingombranti vincoli legati alla massa e alle dimensioni, che di solito portano ad un aumento della complessità e dei costi, ha detto un gruppo di tre astronomi. Lo ha recentemente dichiarato al Comitato delle Accademie Nazionali di Astronomia e Astrofisica.

“Avere una maggiore capacità di massa e volume, a costi inferiori, espande lo spazio di progettazione”, ha affermato Charles Lawrence, capo scienziato per l’astronomia e la fisica presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA. “Vogliamo approfittarne.”

La presentazione di Lawrence ha affrontato l’impatto dei nuovi e grandi veicoli di lancio sulle future missioni astronomiche. La presentazione è stata fatta la settimana scorsa insieme a Martin Elvis, un astronomo dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrofisica, e Sarah Seager, astrofisica e scienziata planetaria del Massachusetts Institute of Technology. Lawrence, Elvis e Seeger hanno composto A articolo all’inizio di quest’anno sulla rivista Physics Today Discuti questo argomento.

È ampiamente riconosciuto che la capacità di un veicolo spaziale di sollevare più di 100 tonnellate nello spazio, a una frazione del costo per chilogrammo dei razzi esistenti, cambierebbe il modo in cui opera l’industria spaziale in generale. Il veicolo spaziale ha un diametro di 9 metri (8 metri di diametro possono essere utilizzati per il carico utile), ovvero quasi il doppio della larghezza del volume del carico utile di qualsiasi razzo esistente.

Ma gli astronomi stanno prendendo sul serio la pianificazione di razzi come Starship, o New Glenn di Blue Origin con un carico utile leggermente inferiore di 7 metri, che saranno disponibili per sollevare la prossima generazione di grandi telescopi spaziali.

Grandi telescopi su grandi lanciatori

Nel 2021, le Accademie Nazionali Pubblica una revisione una volta ogni dieci anni L’astronomia e l’astrofisica sono una priorità assoluta per la comunità scientifica americana. In questo sondaggio, noto come Astro2020, un illustre gruppo di scienziati ha delineato una tabella di marcia affinché la NASA possa trascorrere la maggior parte degli anni 2020 sviluppando tecnologie e progetti per la prossima serie di “grandi osservatori” che seguiranno quelli del calibro di Hubble e Chandra. Il lancio del James Webb e del telescopio spaziale rumeno è previsto per il 2027.

La politica della NASA è quella di seguire, ove possibile, le raccomandazioni della comunità scientifica. Si ritiene che verso la fine del decennio la NASA dovrebbe essere pronta ad iniziare ufficialmente lo sviluppo di questi nuovi telescopi. Il primo sarebbe un grande telescopio chiamato Habitable Worlds Observatory, che è di dimensioni paragonabili al telescopio Webb con uno specchio primario largo circa 6 metri (20 piedi) e un coronografo o ombra stellare per bloccare la luce stellare, consentendo osservazioni dirette di pianeti attorno ad altri. pianeti. Stelle o pianeti extrasolari. Questa è una funzionalità non disponibile su Webb.

L’Osservatorio dei mondi abitabili, che ha sensibilità alla luce nelle lunghezze d’onda dell’infrarosso, del visibile e dell’ultravioletto, avrà il compito di monitorare gli esopianeti simili alla Terra per i mondi con la struttura che supporta la vita. Successivamente, la NASA dovrebbe lanciare simili ambiziosi telescopi nel lontano infrarosso e nei raggi X per studiare la formazione di stelle, buchi neri e galassie, che gli scienziati hanno raccomandato nel 2021.

Queste nuove grandi missioni multimiliardarie non inizieranno a essere lanciate prima degli anni ’40. Questa è una “linea temporale bloccante”, hanno scritto Elvis e i suoi colleghi nel loro articolo pubblicato all’inizio di quest’anno. “I dottorati di ricerca appena coniati di oggi mancheranno appena un decennio al pensionamento quando verranno lanciati i primi osservatori”.

La NASA non ha il budget per lanciarli a breve, e i nuovi telescopi richiedono innovazioni nell’ottica, nei rilevatori e nei materiali per renderli fattibili.

Gli scienziati affermano che l’arrivo di nuovi grandi razzi potrebbe ridurre alcuni di questi ostacoli tecnologici. In definitiva, ciò potrebbe portare a progetti semplificati, costi inferiori e forse ad abbreviare il tempo necessario per sviluppare e costruire i prossimi grandi osservatori. Forse non dovranno aspettare fino al 2040 per lanciarlo. Questi sono fattori importanti se si considera che le stime preliminari delle Accademie nazionali indicano che l’Osservatorio dei mondi abitabili costerà circa 11 miliardi di dollari.

“I progetti sono molto vincolati dai lanciatori, dalle dimensioni e dalla massa disponibili per l’orbita desiderata, e questo inevitabilmente aumenta la complessità e i costi”, ha affermato Ilves.

Nei prossimi anni, gli ingegneri che lavorano sui progetti iniziali di questi nuovi telescopi dovranno rivalutare le loro ipotesi sui tipi di razzi che saranno disponibili per lanciare missioni nello spazio, ha detto Elvis.

“Proponiamo di condurre studi su tutte e tre le ammiraglie Astro2020, sui loro carichi utili e sui veicoli spaziali, nel nuovo modello di Starship, o su qualsiasi modello di lancio di grandi dimensioni, per sfruttare lo spazio di progettazione aperto”, ha detto Elvis la scorsa settimana.

“Le grandi domande sono: i notevoli risparmi sui costi che abbiamo identificato sono davvero ragionevoli e, di conseguenza, è possibile accelerare Astro2020?” Ha aggiunto.

La tirannia del missile

Per illustrare le limitazioni imposte dalla capacità del razzo, torniamo al telescopio spaziale James Webb. Webb doveva adattarsi alla carenatura del carico utile di quasi 5 metri di diametro del razzo Ariane 5, che aveva l’involucro di carico utile più grande di qualsiasi veicolo di lancio disponibile quando gli ingegneri stavano progettando Webb per la prima volta. Ciò ha significato che i 18 singoli segmenti dello specchio primario del telescopio dovevano essere piegati e i progettisti hanno creato un parasole a cinque strati, grande quanto un campo da tennis, fatto di un isolante fragile ma efficace per bloccare il calore e la luce del sole dal telescopio. Tutto doveva riunirsi per consentire a Webb di rimanere entro i confini del suo razzo quando verrà lanciato nel 2021.

Con un razzo più grande come Starship o New Glenn, un futuro telescopio potrebbe utilizzare uno specchio omogeneo, eliminando la necessità di specchi segmentati. Esistono argomentazioni scientifiche che suggeriscono che gli specchi segmentati potrebbero essere migliori per alcune applicazioni, ma il verdetto è ancora aperto. Inoltre, invece di aver bisogno di un complesso parasole estraibile che sarebbe soggetto a guasti, gli ingegneri potrebbero installare una tettoia rigida più grande che avvolga l’intero telescopio.

Gli scienziati hanno affermato che, se lanciati su un razzo enorme come Starship, gli specchi del telescopio potrebbero essere più spessi e pesanti, il che significa che sarebbero più facili da produrre e lucidare. Un razzo più pesante potrebbe consentire ai progettisti di veicoli spaziali di aggiungere pannelli solari più grandi per ottenere ulteriore energia. La potenza extra potrebbe consentire al veicolo spaziale di utilizzare componenti elettronici più economici con maggiore ridondanza, ha affermato Elvis.

“Una delle più grandi lezioni apprese dal telescopio spaziale James Webb è stata l’importanza di comprendere i razzi in anticipo e in dettaglio”, ha affermato Lee Feinberg, direttore dell’ottica presso Webb e co-leader del gruppo di valutazione tecnica che studia l’Osservatorio dei mondi abitabili. Il punto chiave qui è che vogliamo flessibilità. “Siamo a più di 20 anni di distanza dalla missione”.

Chissà quali missili voleranno nel 2040? Per il telescopio spaziale romano, il cui lancio è previsto tra qualche anno, i funzionari della NASA pensavano di poter scegliere tra diversi razzi. Si scopre che i nuovi razzi, come il Vulcan della United Launch Alliance e il New Glenn della Blue Origin, non erano pronti quando la NASA dovette scegliere un appaltatore per il lancio. Ipoteticamente, il contratto è andato a SpaceX per il lancio su un razzo Falcon Heavy.

“Evidenzia davvero l’importanza della flessibilità nei razzi”, ha affermato Feinberg, un ingegnere del Goddard Space Flight Center della NASA. Recentemente ha incontrato SpaceX e Blue Origin. “La nostra opinione ora è che New Glenn e Starship sembrano promettenti”, ha detto.

Ci sono altri nuovi missili. Il sistema di lancio spaziale della NASA è troppo costoso anche solo per essere preso in considerazione. “La nuova Vulcan della ULA non ha una carenatura molto più grande, quindi non ci abbiamo nemmeno pensato,” ha detto Elvis.

La navicella spaziale è la soluzione?

Gli studi hanno dimostrato che la navicella spaziale, con il suo diametro più ampio, potrebbe ospitare una serie di progetti di telescopi, come quello allo studio per l’Osservatorio dei mondi abitabili. La navicella spaziale può lanciare l’osservatorio, con il suo specchio primario di circa 6 metri, piegato o aperto, su un lato o rivolto verso l’alto.

“Quello che abbiamo scoperto è che con Starship hai davvero molta flessibilità”, ha detto Feinberg in una riunione del comitato delle Accademie nazionali la scorsa settimana.

Naturalmente, la navicella spaziale Starship e New Glenn non ha ancora raggiunto l’orbita e devono ancora compiere diversi voli per diventare idonei a lanciare la missione principale della NASA. Ma SpaceX e Blue Origin hanno due decenni per dimostrare l’affidabilità dei loro nuovi razzi prima che la NASA prepari uno dei suoi nuovi osservatori di bordo per il lancio.

“Quando verrà lanciato il nostro primo grande osservatorio, la navicella spaziale sarà stata lanciata diverse volte e avrà un record in base al quale si può giudicare”, ha detto Seager.

Inoltre, non è chiaro quale sarà il prezzo per il lancio di Starship o New Glenn negli anni ’30 o ’40, ma probabilmente si tratta di una piccola frazione del costo totale di un osservatorio multimiliardario.

Per inviare uno qualsiasi di questi telescopi nello spazio profondo verso il punto di Lagrange L2, dove possono osservare l’universo lontano dalle interferenze della Terra, la navicella spaziale dovrebbe fare rifornimento in orbita. Gli esperti di ottica della NASA si chiedono se il processo di rifornimento possa contaminare gli specchi sensibili del telescopio, ha detto Feinberg. Un telescopio che si trova nell’orbita terrestre bassa in attesa che la sua navicella spaziale venga rifornita di carburante potrebbe anche essere esposto a fluttuazioni estreme di temperatura, che potrebbero metterlo a rischio di danni.

“Queste sono tutte considerazioni che dovremo comprendere nei prossimi anni”, ha affermato Feinberg. “Quando chiediamo (a SpaceX) i dettagli, abbiamo la sensazione che ce lo diranno quando capiranno queste cose, ma non possono dircelo in questo momento. Dal lato di New Glenn, è diverso, dove quello che ” se stai pianificando di lanciare (sul loro primo volo) ti porterà potenzialmente a L2, quindi sono molto vicini.

In definitiva, se la NASA vuole diventare più grande con la prossima generazione di telescopi spaziali, Starship potrebbe ospitare uno specchio ripiegato largo fino a 10-12 metri, secondo Feinberg. Per New Glen, il limite superiore sarà probabilmente di circa 8 metri. Specchi più grandi aumentano l’area di raccolta del telescopio, conferendogli una migliore risoluzione per vedere oggetti più piccoli e più deboli.

“Penso che ci troviamo in una situazione nuova,” ha detto Elvis. “Questi lanciatori cambiano ciò che possiamo fare nello spazio, e a quale costo. Il modo in cui progetti la missione è completamente cambiato.”