Мы все наслаждаемся успехом космического телескопа Джеймса Уэбба. Он выполняет свое обещание как наш самый мощный телескоп, делая всевозможные открытия, которых мы ожидали и на которые надеялись. Но история JWST – это история несостоявшихся бюджетов, неоднократных просьб выделить больше времени и денег и почти отмен.
Можем ли мы сделать космические телескопы дешевле?
JWST исполнился всего лишь год, а мы уже с нетерпением ждем появления следующих космических телескопов. НАСА уже планирует и разрабатывает Романский космический телескоп Нэнси Грейс (ранее WFIRST) и Обсерваторию обитаемых миров (ранее LUVOIR) для запуска в 2027 и конце 2030-х годов соответственно.
Эти космические телескопы, вероятно, будут чрезвычайно дорогими. Однако группа исследователей считает, что есть способы снизить стоимость космических телескопов. Они написали статью, в которой изложили свои мысли, под названием «Подходы к снижению стоимости больших космических телескопов». Ведущий автор — Юэн Дуглас, доцент кафедры астрономии в обсерватории Стюарда Университета Аризоны. Они представили свой доклад на конференции SPIE Optics + Photonics 2023 в августе.
Нет никаких сомнений в научном обосновании использования больших космических телескопов. Они дают результаты, которых невозможно добиться другим способом. Также нет сомнений в их расходах и расходах бюджета НАСА. Они никогда не будут дешевле наземных телескопов, но наземные телескопы просто не смогут работать так, как космические телескопы.
Никто не хочет отказываться от научного прогресса, основанного на мощных космических телескопах. Но трудно противостоять критике, что они становятся слишком дорогими. У Дугласа и его соавторов есть некоторые идеи о том, как мы можем продолжать совершать новые открытия с помощью космических телескопов, делая при этом затраты более приемлемыми.
Их статья посвящена гипотетическому оптическому зеркалу диаметром 6,5 м, которое работает в космосе при комнатной температуре. 6,5 метра — это тот же размер, что и зеркало JWST. Они показывают, как некоторые технологии становятся дешевле, как некоторые передовые технологии теперь почти готовы к использованию, и как космические корабли, такие как Starship SpaceX, позволяют нам запускать телескопы с главными зеркалами большего размера, не создавая сложные и дорогие зеркала, такие как телескоп Джеймса Уэбба. .
После 1980 года стоимость наземных телескопов заметно снизилась, и исследователи говорят, что то же самое может произойти и с космическими телескопами. «Таким образом, исследования и новая экономия от масштаба, обеспечиваемая предыдущими исследованиями в области оптики, коммерческой электроники и SpaceX StarShip, могут оказать аналогичное влияние на космическую астрономию и привести к снижению стоимости нескольких крупных обсерваторий до уровня между проекциями NewSpace и наземными прогнозами. базируются обсерватории», — пишут они. (См. NewSpace по этой ссылке.)
Возможности запуска играют решающую роль в затратах. Не только за счет стоимости самого запуска ракеты, но и за счет ограничения размера главного зеркала телескопа. Главное зеркало JWST было сложено, чтобы поместиться в обтекатель полезной нагрузки Ariane 5. Это означало, что ему нужно было сложное, дорогое и рискованное зеркало, которое разворачивалось бы во время движения к своей позиции. Ограничения на запуск легли на миссию значительным финансовым бременем.
Но Starship SpaceX сможет загрузить 6,5-метровое зеркало целиком. «Обтекатель космического корабля SpaceX Starship потенциально позволяет запускать 6,5-метровый телескоп класса JWST с монолитным зеркалом, что устраняет стоимость и сложность конструкций сегментированных зеркал», — пишут они. Если это окажется надежным, то конструкцию зеркала 6,5 можно будет использовать в нескольких телескопах. Большая часть стоимости изготовления 6,5-метрового зеркала приходится на основной оптический материал, а сотовые боросиликатные зеркала относительно недороги. Таким образом, вместо того, чтобы проектировать и изготавливать каждое зеркало по индивидуальному заказу, мы могли бы достичь своего рода экономии за счет масштаба.
Авторы говорят, что существует стандартное 6,5-метровое зеркало, которое почти отвечает всем требованиям: «… проверенное в полевых условиях Ричард Ф. Кэрис Зеркальная лаборатория 6,5-метровое легкое боросиликатное сотовое зеркало без модификаций». Соты имеют те же преимущества, что и другие твердые аналоги, но они легче и могут быть значительно больше. Боросиликатное стекло используется потому, что оно устойчиво к тепловому расширению, поддается формованию при низких температурах и относительно недорого. Для сравнения, зеркало JWST сделано из бериллия и покрыто тонким слоем золота.
Боросиликатное зеркало в космическом телескопе потребует адаптивной оптики. Но это еще одна область, где наземные телескопы стали испытательным полигоном. Технология адаптивной оптики и управления волновым фронтом становится все лучше и лучше и может быть адаптирована к 6,5-метровому космическому телескопу. Новые, более быстрые CMOS-датчики также помогают устранить искажения изображения, поскольку им требуется меньше времени для захвата изображений, а также они становятся больше и дешевле.
В отличие от поверхности Земли, космос — это свободная для всех радиация. Электроника должна уметь работать в этой среде, как и программное обеспечение. «Исторически сложилось так, что специально созданные бортовые компьютеры работали на языке ассемблера и требовали дорогостоящих и специализированных навыков разработки программного обеспечения», — пишут авторы. Но это меняется. Готовая коммерческая электроника (COTS) в настоящее время применяется в космических миссиях, как и обычные операционные системы. Например, вертолет Mars Ingenuity работает на Linux, как и некоторые системы управления волновым фронтом на CubeSat.
JWST находится на уровне L2 Солнца-Земли и занимается своими делами. Чтобы его мощные ИК-датчики работали эффективно, он должен находиться в термически стабильной среде. Но доставка туда телескопа обходится дороже, и для передачи данных требуется больше энергии. Дуглас и его коллеги говорят, что есть еще один вариант, по крайней мере для оптических телескопов, который используется TESS.
TESS находится на высокой околоземной орбите (HEO) в течение 13,7 дней. Чтобы добраться туда, он использовал помощь лунной гравитации, что помогло снизить затраты на запуск. «Орбита TESS HEO обеспечивает большой непрерывный охват неба в термически стабильной среде с низким уровнем радиации при относительно низком значении Delta V, что снижает потребность в двигательной установке для космоса.
обсерваторий и увеличения потенциальной передачи данных по нисходящей линии связи по сравнению с орбитами L2 при той же мощности передатчика». Орбита TESS должна оставаться стабильной в течение десятилетий или дольше без необходимости использования двигательной установки.
Некоторые достижения в конструкции телескопов снижают затраты, не затрагивая напрямую технологии. Значительные изменения в процессах проектирования упростили процедуры и снизили затраты за счет экономии времени. «За последние несколько десятилетий прогресс в процессах разработки программного обеспечения с контролем версий, управлением проектами, проектированием на основе тестирования, а также непрерывной интеграцией и развертыванием увеличил темпы разработки все более сложного программного обеспечения», — говорится в документе.
Управление документацией, возможно, не вызовет большого энтузиазма у большинства из нас, но это пример важной части процесса проектирования телескопа, улучшение которой и снижение затрат могут принести пользу. Тысячам людей со специальными навыками требуются десятилетия, чтобы спроектировать, построить и запустить космический телескоп. Оптимизированные методы связи могут помочь снизить затраты. Авторы упоминают такие примеры, как машиночитаемые документы, а также использование формата файлов JSON с открытым исходным кодом и его схем для уменьшения количества ошибок. Даже отслеживание изменений и автоматическое распространение документов можно улучшить, чтобы снизить затраты. «Эти инструменты делают итеративный процесс проектирования с большим количеством прототипов более осуществимым, поскольку извлеченные уроки фиксируются естественным образом», — объясняют они.
Некоторые из описанных ими изменений уже использовались в SmallSat, CubeSat, а в некоторых случаях даже в более крупных проектах, таких как римский космический телескоп Нэнси Грейс. Фактически, SmallSats дают обнадеживающий взгляд на то, как мы можем снизить затраты, не жертвуя наукой.
В статье углубляется больше технических деталей, хотя авторы говорят, что это предварительный взгляд на проблему и что в будущих статьях будут копать еще глубже. Но они показали, что есть путь вперед, по которому мы можем продолжать развивать астрономию и астрофизику, не создавая при этом стремительных бюджетов.
«Будущая работа предоставит подробную информацию о том, как может возникнуть такая обсерватория, дополнительные стратегии снижения рисков, детальные конструкции инструментов и представит экологические требования, необходимые для того, чтобы сотовое боросиликатное зеркало выдержало запуск», — заключают они.
