Rastreando as grandes ideias que levaram a Webb

Ao final de grandes projetos de engenharia, normalmente é solicitado à equipe de design que desenvolva um documento, em alguns casos chamado de Teoria de Operações. Este documento destina-se a descrever as decisões de design, por que foram tomadas e como foram implementadas. O documento pretende informar futuros engenheiros sobre por que um sistema funciona da maneira que funciona, para que possam avaliar se alguma modificação ou melhoria pode ser feita. Também permite que os engenheiros de projeto reflitam sobre seu trabalho como um todo, às vezes sob uma nova luz. Recentemente, alguns membros originais da equipe de design do Telescópio Espacial James Webb decidiram tentar uma versão resumida de tal documento, lançando um artigo que descreve a história do design do que hoje é considerado uma das joias da coroa do frota de telescópios espaciais da humanidade.

Pierre Bely, o (agora aposentado) engenheiro-chefe do Telescópio Espacial e Instituto de Ciências (STScI), liderou a redação do artigo. Ele originalmente começou a conceituar a ideia de um sucesso do Hubble na década de 1980. Ele foi incentivado a fazê-lo por Riccardo Giacconi, o então chefe do STScI, que, dada a sua experiência em outros satélites como Chandra e Einstein, sabia quanto tempo levaria para desenvolver um sucessor do Hubble.

O próprio Hubble, o decano dos telescópios espaciais que serviu como carro-chefe dos astrônomos por décadas, não foi lançado quando Bely foi encarregado de elaborar planos para um sucessor. Foram necessários quase 30 anos de lobby, construção e testes para lançar o Hubble em 1990, com mais três anos de extenso retrabalho para repará-lo quando estivesse em órbita. O próprio Hubble teve uma vida útil de missão de apenas 14 anos, portanto, mesmo que seu sucessor tivesse começado a trabalhar antes do lançamento do Hubble, ele não estaria pronto para ser lançado antes do término de sua missão original.

As restrições orçamentais no STScI revelaram-se um desafio inicial. O Instituto tinha pessoal para operar o Hubble, mas não para projetar um instrumento completamente novo do zero. Mas Bely encontrou algum tempo em sua função como engenheiro-chefe para desenvolver alguns conceitos. Os requisitos preliminares do projeto eram nebulosos, mas o consenso entre os criadores da ideia que se tornou o JWST era que ele deveria ser capaz de ver o infravermelho, o que estava além das capacidades do Hubble. Também foi planejado com um espelho de 10 m, que se destinava a combinar com vários telescópios terrestres na fase de projeto.

Felizmente, o Advanced Concepts Office da NASA já havia feito trabalhos preliminares em vários projetos para um telescópio espacial de próxima geração. O Very Large Space Telescope (VLST) manteve o nome tradicional dos telescópios da NASA, mas foi projetado para ser montado no espaço por astronautas usando o ônibus espacial. Era essencialmente apenas uma versão do Hubble com um espelho maior.

O conceito Golay-9 era um pouco mais inovador. Consistia em nove telescópios de 1,7 m que funcionariam em conjunto. Porém, foi novamente projetado para ser montado por astronautas e colocado no LEO.

Outro conceito foi o Grande Refletor Desdobrável, com 20m de diâmetro e espelhos segmentados. Seria necessária uma quantidade significativa de criogenia para permanecer fria enquanto orbitava em LEO perto da estação espacial – principalmente para facilitar a montagem pelos astronautas e o reabastecimento de criogenia.

Bely e François Roddier, um especialista em óptica, consideraram essas ideias ao projetar um sucessor original de 10 m do Hubble que não se parece em nada com a forma final do satélite. Inicialmente proposto em 1986, tinha um escudo abrangente que deveria protegê-lo da luz e do calor da Terra próxima, ao mesmo tempo que cabia na carenagem de um foguete Energia modificado projetado pela então União Soviética.

Durante esse período, o projeto assumiu um novo nome – Telescópio Espacial de Próxima Geração, pelo qual seria conhecido até ser renomeado como JWST em 2002. Mas antes disso, ele teve várias outras iterações preliminares de design, incluindo um “Desvio através do Lua.”

Um telescópio espacial não precisa necessariamente flutuar livremente no espaço – ele também pode estar localizado em outro corpo celeste. Essa foi a base para uma ideia inicialmente coincidir com a Iniciativa de Exploração Espacial do Presidente George HW Bush de regressar à Lua na década de 1990. Para combinar com este design, foi criada uma versão do NGST que abrigava um espelho de 16 m na superfície da Lua que se parecia mais com um telescópio tradicional ligado à Terra do que com um telescópio espacial flutuante. No entanto, essa ideia morreu com o SEI quando se tornou claro, alguns anos depois do mandato de Bush, que a NASA não regressaria à Lua tão cedo – e ainda não o fez.

Durante o final da década de 1980 e início da década de 1990, muitos workshops foram realizados para discutir diferentes compensações na concepção do NGST. Eles mudaram para uma estrutura mais formal em 1995, quase 5 anos após o lançamento do Hubble, em um workshop para definir os objetivos de design do novo sucessor do Hubble, convocado por Edward Weiler, Cientista Chefe da NASA para o Hubble. Esse workshop deu início a dois anos de um estudo projetado para resultar em uma ideia totalmente formada para um telescópio espacial – e é nisso que a versão moderna do JWST se baseia hoje.

Ao final do estudo, o contorno geral do telescópio espacial estava claro, com um escudo solar voltado para o Sol e permitindo o resfriamento radiativo do outro lado, mantendo uma temperatura razoável para alguns componentes eletrônicos operacionais. Também estaria localizado no ponto Lagrange Terra-Sol L2, em vez de na Lua ou em órbita ao redor da Terra. Isto tinha a vantagem de estar suficientemente longe da Terra e da Lua para que não precisasse mais ser completamente fechado como eram os conceitos anteriores, dando-lhe um campo de visão muito mais amplo.

Esta versão do JWST, conhecida como “Yardstick”, focou fortemente no design do sistema óptico, com um espelho de 8 m originalmente proposto. Utilizou berílio devido às suas vantagens para a criogenia em telescópios espaciais, incluindo sua alta condutividade térmica. Ele foi projetado para caber em uma carenagem Atlast II e ser totalmente expandido após o lançamento.

Mesmo nesta fase inicial do projeto, o custo já era uma consideração, e o JWST ultrapassou notoriamente o orçamento durante o seu ciclo de desenvolvimento e testes. No entanto, na altura, o orçamento esperado parecia estar em linha com missões comparáveis ​​como a do Hubble. A NASA planejou avançar com um estudo de fase conceitual e pediu a três empresas aeroespaciais que apresentassem suas ideias de NGST em uma reunião STScI. Essa reunião resultou num relatório no verão de 1997 que especificava três ideias muito diferentes da TRW, da Ball Aerospace e da Lockheed Martin.

A NASA decidiu avançar com os conceitos TRW e Ball, embora a Lockheed continuasse desenvolvendo seu próprio projeto em um esforço para reconquistar o negócio. Depois de um tempo, TRW e Ball decidiram combinar suas forças em um único estudo de missão. Eventualmente, em 2001, Northrup Grumman comprou a TRW, e a divisão que gerenciava o projeto NGST mudou seu nome para Northrup Grumman Space Technology (NGST). A NASA concedeu-lhes o direito de assumir a função de contratante principal no JWST.

As restrições orçamentárias limitaram ainda mais o alcance do espelho a 6 metros dos 8 planejados, mas neste ponto, o design geral parecia bastante alinhado com o que está atualmente flutuando no espaço. Vinte anos depois, após muito refinamento de design, fabricação e testes, foi lançado com sucesso e, apesar de ter sido atingido por micrometeoritos (que reconhecidamente sempre fizeram parte do projeto planejado), tem nos fornecido imagens fascinantes de todos os cantos do espaço. . Com este artigo, alguns dos membros originais da equipe podem refletir sobre suas contribuições para esta maravilha da tecnologia espacial e ficar orgulhosos. No final, todos os seus esforços parecem ter valido a pena.

Saber mais:
Bely e outros – Gênese da arquitetura do Telescópio Espacial James Webb: a história dos designers
UT – Como Webb permanece em foco
UT – Hubble e Webb são o Dream Team. Não os separe
UT – O JWST está reescrevendo livros didáticos de astronomia

Imagem principal:
Vista artística de um telescópio de 16 metros na Lua, proposto por Bely. O apontamento do telescópio fez uso de um hexápode com atuadores lineares. Durante o dia lunar, um escudo deveria ser enrolado sobre o telescópio para protegê-lo do calor vindo do Sol.
Crédito – PY Bely / D. Berry / STSCI