Mientras el mundo se maravilla con la publicación de las primeras imágenes del telescopio espacial James Webb, Paul Geithner, subdirector de proyectos de Verificación técnica del Webb, recuerda otro momento único: cuando el equipo del Webb pensó en un breve (benditamente breve) momento que había roto parte del observatorio.
Una parte de la estructura del Webb, hecha a medida con un compuesto de epoxi de grafito, se sometió a las pruebas de vibración en el Goddard Space Flight Center de la NASA a finales de 2.016. Se agitarton los puntos de conexión de los componentes desplegables del instrumento para ver cómo resistirían. Todo iba bien, hasta que no fue así. Hubo un fuerte crujido. El sonido no fue, ni mucho menos, agradable.
“La gente decía – Oh, Dios mío, ¿acabamos de romperlo?” Recuerda Geithner. “Quiero decir, sonaba mal. Luego, la prueba se apagó automáticamente. Ese fue probablemente el punto más aterrador”.
No se dañó. Se añadieron amortiguadores de masa sintonizados a la estructura de soporte del espejo secundario del telescopio para suprimir cualquier resonancia que pudiera amenazar la supervivencia de la estructura durante el lanzamiento. Las pruebas en aquel momento, y en los meses y años siguientes, continuaron mientras el equipo de la misión evaluaba la resistencia del observatorio a las condiciones extremas que encontraría, tanto durante el lanzamiento como en su órbita de “halo” permanente del Punto de Lagrange 2 (L2), más grande que el tamaño de la órbita de la Luna alrededor de la Tierra, equilibrado gravitacionalmente entre la Tierra y el Sol.
La órbita en la que se insertó el Webb se debe al matemático y astrónomo del siglo XVIII, nacido en Italia, Joseph-Louis Lagrange, quien hizo importantes contribuciones a la mecánica celeste y clásica. Lagrange estudió el “problema de los tres cuerpos” (llamado así por los tres cuerpos que orbitan entre sí) de la Tierra, el Sol y la Luna. Identificó cinco puntos en el espacio cercano, L1, L2, L3, L4 y L5, donde los objetos podrían orbitarse fácilmente.
El observatorio Webb, el telescopio espacial más complejo y poderoso lanzado hasta la fecha, es un ejemplo de cómo probar diseños y equipos espaciales de última generación en entornos que imitan a los que se encuentran en un vacío de radiación fuerte, ultrafría y/o ultracaliente, que puede proteger tanto como sea posible contra los peligros conocidos y, tal vez, incluso los desconocidos.
El exitoso lanzamiento del Webb, la inserción orbital, las comprobaciones del sistema, el despliegue y, ahora, las espectaculares imágenes, subrayan el valor de las pruebas. Tal progreso no hubiera sido posible sin un estudio y validación extensos de todos los sistemas y componentes del Webb antes del lanzamiento y del despliegue del telescopio. Pero una pregunta importante era cómo, exactamente, se podían realizar las pruebas para un artefacto tan grande.
La división del observatorio
No fue factible probar la totalidad del Webb en la cámara de vacío más grande de la NASA, dada la necesidad de replicar con precisión el entorno térmico en ambos lados del observatorio en su configuración desplegada. Un posible enfoque consistía en construir otra cámara más grande, pero los costes de construcción y los retrasos en el cronograma eran prohibitivos.
La solución: dividir literalmente el observatorio en mitades que podrían acomodarse con algunos ajustes y mejoras en las instalaciones, en una variedad de cámaras de prueba repartidas en los centros de la NASA y en las instalaciones de Redondo Beach, California, del contratista principal Northup Grumman. La verificación de los despliegues y el balance térmico del Webb sería el resultado de la combinación de muchas pruebas.
Las estructuras, los componentes, la electrónica, los instrumentos y los sistemas del Webb se estudiaron, evaluaron y validaron por miles de científicos, ingenieros y técnicos que, en conjunto, construyeron, probaron e integraron el Webb. En total, participaron 258 empresas, agencias y universidades: 142 de Estados Unidos, 104 de 12 países europeos y 12 de Canadá.
“No podíamos simplemente meter todo el observatorio en una cámara de vacío y duplicar todo al mismo tiempo”, dice Geithner. “Por eso probamos con dos grandes mitades. Resultó que nuestro enfoque funcionó”.
Las instalaciones de la NASA involucradas en las principales pruebas del Webb fueron las ubicadas en los centros de investigación de la NASA: el Goddard Space Flight Center, el Johnson Space Center, el Marshall Space Flight Center y el Jet Propulsion Laboratory. Las pruebas criogénicas (ultra frías) del telescopio, sus componentes y paquetes de instrumentos ocuparon un lugar destacado en esas labores, así como las evaluaciones de vibración y equilibrio térmico.
“Tuvimos que averiguar cómo realizar la prueba en dos partes y confiar en que el software certificaría los resultados de esa prueba”, dice el científico del programa del Webb Eric Smith, ahora jefe científico de la Astrophysics Division en la sede de la NASA. “Así fue cuando juntamos las partes, el observatorio funcionaría en el espacio. He aquí que funcionó de manera asombrosa”.
Conseguir un entorno limpio pero tormentoso
A partir de julio de 2.017 en el Johnson Space Center, en su instalación de la Chamber A, los científicos e ingenieros también sometieron al telescopio óptico de Webb y a su módulo de instrumentos científicos integrados, conocido como OTIS, a una serie de pruebas de estrés por frío. Los estudios contaban con una importante verificación de alineación de los 18 elementos del espejo primario del Webb, para garantizar que cada uno de los segmentos hexagonales chapados en oro del observatorio, actuara en conjunto como un solo espejo monolítico.
Esta fue la primera vez que la óptica del telescopio y sus instrumentos se probaron juntos, aunque los instrumentos ya se habían sometido previamente a pruebas criogénicas en una cámara más pequeña en el Goddard. Ingenieros de Harris Space and Intelligence Systems, con sede en Melbourne (Florida), trabajaron junto con el personal de la NASA para la prueba en el Johnson.
Antes de colocar al Webb en el interior, los ingenieros del Johnson construyeron una gran sala limpia alrededor de la entrada de la Chamber A. La modificación, dice Smith, “convirtió una cámara ‘sucia’ en una limpia. Esa fue una gran inversión”.
La sala limpia permitió sacar al telescopio de su contenedor de envío, desenvolverlo de la bolsa protectora, desplegarlo, girarlo de horizontal a vertical, colocarlo en su plataforma de prueba y, finalmente, deslizarlo en la cámara sobre rieles y colgarlo de las seis largas varillas de suspensión.
“La Chamber A fue una elección bastante obvia, además de construir una instalación completamente nueva”, dice Geithner. “Fue mucho mejor que empezar de cero. Es una instalación realmente buena donde puedes hacer un vacío muy grande”.
Mientras que el Webb estaba dentro de la cámara, aislado de la luz visible e infrarroja del exterior, los ingenieros lo escanearon usando sensores térmicos y sistemas de cámaras especializados. Los sensores térmicos controlaron la temperatura del telescopio, mientras que los sistemas de cámara rastrearon la posición física del Webb para ver cómo se movían sus componentes durante el proceso de enfriamiento.
No todo salió según lo planeado. Aunque los probadores expertos aprenden a esperar lo inesperado, algunos eventos ponen a prueba la paciencia incluso de los mejor preparados.
“Nuestro plan de pruebas fue sólido. Nos preparamos mucho en el JSC”, dice Geithner. “Planificamos y mejoramos para poder sobrevivir a un huracán de 500 años. ¿Y adivina qué pasó? El huracán Harvey”.
Harvey azotó la costa de Texas el 25 de agosto de 2.017 como un huracán de categoría 4 antes de detenerse sobre el este de Texas y debilitarse hasta considerarse tormenta tropical, donde dejó caer hasta 1,27 metros de lluvia en Houston y sus alrededores. A pesar de la vorágine, durante 100 días seguidos, los miembros del equipo del telescopio Webb en Johnson permanecieron en su lugar para trabajar ininterrumpidamente en tres turnos.
Surgió otro problema: los suministros de nitrógeno líquido, esenciales para mantener las condiciones ultra frías en la cámara, se estaban agotando. El técnico líder de la prueba, el gerente del telescopio Lee Feinberg, hizo una llamada de emergencia al proveedor de nitrógeno, explicando la naturaleza y urgencia de la misión. Los conductores de Austin se apresuraron a entregar y reponer el nitrógeno líquido y llegaron justo a tiempo.
“La gente hizo un esfuerzo extra para mantener la prueba en marcha y el hardware seguro”, dice Geithner. “Todos estábamos decididos. Estábamos comprometidos”.
La importancia de las pruebas
No tuvieron el impacto de un huracán, pero otros dos incidentes hicieron que los evaluadores se detuvieran. Las pruebas acústicas realizadas en 2.017-18 por Northrop Grumman dieron como resultado la caída de varios pernos de bloqueo n° 4 en el parasol del Webb. Aunque fue, recuerda Geithner, “una molestia colosal” cuando los ingenieros trabajaron para resolver el problema resultó no ser un caótico final. Como él señala, “Por eso se prueba, ¿verdad?”
Más cerca del lanzamiento, en diciembre de 2.021, mientras se encapsulaba la carga útil del Webb, se abrió un anillo de interfaz de lanzamiento y, dice Eric Smith, “se fue volando. Afortunadamente, no hubo ningún efecto. Aun así, fue bastante aterrador ver que una parte del cohete se desprendiera así”.
Smith aún recuerda sus visitas al Space Environments Complex de la NASA en lo que ahora es el Armstrong Test Facility, parte del Glenn Research Center. Allí pudo ver el funcionamiento interno de las pruebas, incluida la variedad y el alcance del complejo equipo necesario para evaluar y verificar la solidez de la nave espacial, las estructuras, los sistemas, los componentes y los instrumentos.
Edición: R. Castro.