Jak długo potrwa misja Teleskopu Webba?

Po miesięcznej wędrówce Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dotarł wreszcie do oddalonego o półtora miliona kilometrów od Ziemi punktu L2. Chyba możemy już wybiec myślami w przyszłość i sprawdzić, jak długo nowy sprzęt będzie cieszył nas swoimi obserwacjami.

Krótko. Jeszcze przed startem mówiło się o 10-letniej misji, ale bardzo pomyślna (tj. paliwooszczędna) podróż może sprawić, że Teleskop Webba będzie sprawny nawet dwa razy dłużej, czyli do lat 40. obecnego stulecia.

Jak pokazują losy Teleskopu Hubble’a, kosmiczne obserwatoria są w stanie działać naprawdę długo. Mimo wielu technicznych komplikacji, po 32 latach wysłużony sprzęt wciąż zagląda w dalekie zakątki wszechświata i najprawdopodobniej nie zejdzie ze sceny przed końcem obecnej dekady. Oznacza to, że HST spłonie w atmosferze mając na karku (czy może raczej na zwierciadle) czterdzieści parę, a przy odrobinie szczęścia może nawet pięćdziesiąt lat. Pojawia się pytanie, czy wystrzelony pod koniec grudnia 2021 roku Teleskop Webba, ma szansę okazać się równie długowieczny?

Nie owijając w bawełnę: dociągnięcie do wyniku Hubble’a będzie bardzo trudne, ale wszystko wskazuje na to, że warta niemal 10 miliardów dolarów misja i tak potrwa dłużej niż wstępnie planowano. Jednak zanim do tego przejdziemy, wyjaśnijmy, dlaczego w ogóle służba JWST pozostaje mocno ograniczona w czasie i nie może potrwać choćby do końca stulecia.

Z reguły data ważności misji kosmicznych wiąże się z zerwaniem komunikacji, brakiem energii elektrycznej lub wyczerpaniem paliwa dla silników. W tym przypadku dwa pierwsze problemy odpadają. Webb osiadł w miejscu, gdzie ma zapewniony nieprzerwany dostęp do promieni słonecznych ładujących akumulatory, zaś stała odległość od Ziemi gwarantuje podtrzymanie łączności radiowej[1]. Pozostaje więc kwestia skończonej ilości materiału pędnego.

W odróżnieniu od krążącego wokół Ziemi Hubble’a, Webb zaparkował w położonym znacznie dalej punkcie L2. Punkty Lagrange’a to specyficzne miejsca w przestrzeni, w których siły grawitacyjne dwóch ciał niebieskich równoważą się z ruchem orbitalnym mniejszego obiektu, dzięki czemu taki obiekt może zachować stałą pozycję względem układu. Jeśli chodzi o Teleskop Webba, pozostanie on na wiele lat zawieszony półtora miliona kilometrów “za” Ziemią, wykorzystując przyciąganie Słońca i naszej planety[2].

Ruch Teleskopu Webba
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba obiega Słońce wraz z Ziemią, okrążając jednocześnie punkt L2.

Sęk w tym, że L2 jest – jak to określają fizycy – metastabilny, czyli niby stabilny, ale krótko i nie do końca. Niestety oznacza to, że umieszczony tam obiekt potrzebuje regularnych korekt orbity, bez których w końcu zerwie się ze smyczy wskakując na wyższą lub spadając na niższą orbitę okołosłoneczną (w przypadku Webba w grę wchodzi ten drugi scenariusz). Dlatego los urządzenia pozostaje ściśle związany z niezawodnością napędu i obfitością zapasów paliwa.

JWST wyposażono w dwa zestawy silników. Szesnaście z nich to drobne silniczki MRE-1, porozmieszczane parami w różnych strefach teleskopu, służące do obracania urządzenia w wybranym kierunku. Poza nimi kluczową rolę pełnią cztery silniki SCAT – dysponujące nieco większą siłą ciągu, zdolne do korygowania pozycji urządzenia i utrzymania go w okolicy L2[3]. Oba rodzaje napędów są karmione wydajną, ale również toksyczną, żrącą i wybuchową (dlatego najczęściej wykorzystywaną podczas misji bezzałogowych) hydrazyną; przy czym MRE-1 przepuszcza ją przez specjalne katalizatory, zaś SCAT-y dodają szczypty tetratlenku diazotu. Żywotność Webba zależy więc od tego, kiedy doszczętnie wyczerpie zapas 191 litrów hydrazyny i 95,5 litra utleniacza.

Silniki Teleskopu Webba
Silniki oraz większość systemów komunikacyjnych i obliczeniowych umieszczono w module spacecraft bus, zainstalowanym pod osłoną termiczną teleskopu.

Dobra wiadomość jest taka, że w trakcie swojej wędrówki Teleskop Webba zużył nadspodziewanie mało materiału pędnego. Jak zapewnia NASA, dzięki dochowaniu ekstremalnej precyzji podczas startu rakiety Ariane 5, dwa manewry korekcyjne – MCC-1a i MCC-1b przeprowadzone w pierwszych dniach lotu – nie wymagały tak długiego działania napędu SCAT, jak pierwotnie planowano. W efekcie do dyspozycji obserwatorium wciąż pozostaje 159 litrów hydrazyny i 79,5 litra tetratlenku diazotu. Zdaniem inżynierów pozwoli to na znaczne wydłużenie, może nawet podwojenie żywotności teleskopu.

Co to dokładnie oznacza? Minimalny czas trwania projektu oceniano na 5,5 roku, przy czym już na długo przed startem spodziewano się, że realnie Webb powinien być zdolny do funkcjonowania przez mniej więcej dekadę. Bardzo udany początek misji daje więc nadzieję, że cenny sprzęt będzie cieszył pasjonatów astronomii nawet 20 lat.

Dalsze wydłużanie eksploatacji JWST wymagałoby tankowania i ewentualnych wypraw serwisowych – co w przypadku urządzenia znajdującego się cztery razy dalej od Ziemi niż Księżyc, wydaje się szalenie skomplikowane. Oczywiście piszę te słowa wyłącznie z perspektywy obecnych możliwości i kosztów[4]. Dwadzieścia lat to szmat czasu i być może po roku 2040 inżynieria pozwoli na wysłanie wyspecjalizowanych robotów lub bezzałogowego tankowca, który pozwoli Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba na funkcjonowanie przez kolejne dekady. Ale to na razie tylko dywagacje.

[+]
Promieniowanie kosmiczne – największy problem Marsa Mars w 7 krokach Kiedyś i dziś. Fotografie unaoczniające, jak rozwinęła się astronomia