Ingenieurs voeren een "acceptatietest" uit van het mid-infraroodinstrument van de James Webb-ruimtetelescoop in het Goddard Space Flight Center van NASA, nadat de telescoop vanuit het Verenigd Koninkrijk is vertrokken.
JPL-vluchttechnici Johnny Melendez (rechts) en Joe Mora inspecteren de MIRI-cryokoeler voordat deze naar Northrop Grumman in Redondo Beach, Californië, wordt verzonden. Daar wordt de koeler aan de behuizing van de Webb-telescoop bevestigd.
Dit deel van het MIRI-instrument, te zien in het Appleton Laboratory in Rutherford, VK, bevat infrarooddetectoren. De cryokoeler bevindt zich op afstand van de detector omdat deze op een hogere temperatuur werkt. Een buis met koud helium verbindt de twee delen.
MIRI (links) staat op een evenwichtsbalk bij Northrop Grumman in Redondo Beach, terwijl technici zich voorbereiden om het met een bovenloopkraan aan de Integrated Scientific Instrument Module (ISIM) te bevestigen. De ISIM is de kern van de Webb-telescoop, de vier wetenschappelijke instrumenten waarin de telescoop is ondergebracht.
Voordat het MIRI-instrument – ​​een van de vier wetenschappelijke instrumenten aan boord van het observatorium – in werking kan treden, moet het worden afgekoeld tot bijna de laagste temperatuur die materie kan bereiken.
De James Webb-ruimtetelescoop van NASA, die op 24 december gelanceerd zal worden, is het grootste ruimteobservatorium in de geschiedenis en heeft een al even ontmoedigende taak: infrarood licht verzamelen uit verre uithoeken van het universum, waardoor wetenschappers de structuur en oorsprong van het universum en onze plaats daarin kunnen onderzoeken.
Veel kosmische objecten – waaronder sterren en planeten, en het gas en stof waaruit ze ontstaan ​​– zenden infrarood licht uit, ook wel thermische straling genoemd. Maar dat geldt ook voor de meeste andere warme objecten, zoals broodroosters, mensen en elektronica. Dat betekent dat de vier infraroodinstrumenten van Webb hun eigen infrarood licht kunnen detecteren. Om deze emissies te verminderen, moet het instrument erg koud zijn – ongeveer 40 Kelvin, oftewel -388 graden Fahrenheit (-233 graden Celsius). Maar om goed te functioneren, moeten de detectoren in het midden-infraroodinstrument, of MIRI, nog kouder worden: onder de 7 Kelvin (-448 graden Fahrenheit, oftewel -266 graden Celsius).
Dat is slechts een paar graden boven het absolute nulpunt (0 Kelvin) – de koudste temperatuur die theoretisch mogelijk is, hoewel die fysiek nooit bereikt kan worden omdat het de volledige afwezigheid van warmte vertegenwoordigt. (MIRI is echter niet het koudste beeldvormingsinstrument dat in de ruimte actief is.)
Temperatuur is in wezen een maat voor hoe snel atomen bewegen, en naast het detecteren van hun eigen infraroodlicht kunnen Webb-detectoren ook worden geactiveerd door hun eigen thermische trillingen. MIRI detecteert licht in een lager energiebereik dan de andere drie instrumenten. Daardoor zijn de detectoren gevoeliger voor thermische trillingen. Deze ongewenste signalen noemen astronomen 'ruis', en ze kunnen de zwakke signalen die Webb probeert te detecteren overstemmen.
Na de lancering zal Webb een zonnescherm ter grootte van een tennisbaan uitklappen dat MIRI en andere instrumenten beschermt tegen de hitte van de zon, waardoor ze passief kunnen afkoelen. Ongeveer 77 dagen na de lancering zal de cryokoeler van MIRI er 19 dagen over doen om de temperatuur van de detectoren van het instrument te verlagen tot onder de 7 Kelvin.
"Het is relatief eenvoudig om dingen op aarde tot die temperatuur af te koelen, vaak voor wetenschappelijke of industriële toepassingen", aldus Konstantin Penanen, een expert op het gebied van cryokoelers bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië, dat het MIRI-instrument voor NASA beheert. "Maar die systemen op aarde zijn erg omvangrijk en energie-inefficiënt. Voor een ruimteobservatorium hebben we een koeler nodig die fysiek compact, energiezuinig en zeer betrouwbaar is, omdat we hem niet zomaar kunnen repareren. Dat zijn dus de uitdagingen waar we voor staan. In dat opzicht zou ik zeggen dat de MIRI-cryokoelers absoluut toonaangevend zijn."
Een van de wetenschappelijke doelen van Webb is het bestuderen van de eigenschappen van de eerste sterren die in het universum zijn ontstaan. De nabij-infraroodcamera van Webb, ofwel NIRCam, zal deze extreem verre objecten kunnen detecteren, en MIRI zal wetenschappers helpen bevestigen dat deze zwakke lichtbronnen clusters van sterren van de eerste generatie zijn, in plaats van sterren van de tweede generatie die later in de evolutie van een sterrenstelsel zijn ontstaan.
Door te kijken naar stofwolken die dichter zijn dan nabij-infraroodinstrumenten, zal MIRI de geboorteplaatsen van sterren onthullen. Het zal ook moleculen detecteren die veel voorkomen op aarde – zoals water, koolstofdioxide en methaan, evenals moleculen van gesteentemineralen zoals silicaten – in de koele omgevingen rond nabije sterren, waar planeten kunnen ontstaan. Nabij-infraroodinstrumenten zijn beter in staat deze moleculen als dampen in hetere omgevingen te detecteren, terwijl MIRI ze als ijs kan waarnemen.
"Door de expertise van de VS en Europa te combineren, hebben we MIRI ontwikkeld als de drijvende kracht achter Webb, waarmee astronomen van over de hele wereld belangrijke vragen kunnen beantwoorden over hoe sterren, planeten en sterrenstelsels ontstaan ​​en evolueren", aldus Gillian Wright, mede-leider van het MIRI-wetenschapsteam en Europees hoofdonderzoeker voor het instrument bij het UK Astronomical Technology Centre (UK ATC).
De MIRI-cryokoeler gebruikt heliumgas – genoeg om ongeveer negen feestballonnen te vullen – om warmte van de detectoren van het instrument af te voeren. Twee elektrische compressoren pompen helium door een buis die naar de detector loopt. De buis loopt door een metalen blok dat ook aan de detector is bevestigd; het afgekoelde helium absorbeert overtollige warmte van het blok, waardoor de bedrijfstemperatuur van de detector onder de 7 Kelvin blijft. Het verwarmde (maar nog steeds koude) gas keert vervolgens terug naar de compressor, waar het de overtollige warmte afvoert, en de cyclus begint opnieuw. In principe is het systeem vergelijkbaar met dat van huishoudelijke koelkasten en airconditioners.
De leidingen die helium transporteren zijn gemaakt van verguld roestvrij staal en hebben een diameter van minder dan 2,5 mm. Ze strekken zich ongeveer 10 meter uit van de compressor in het ruimtevaartuiggedeelte tot de MIRI-detector in het optische telescoopelement achter de honingraatvormige hoofdspiegel van het observatorium. Een hardware-onderdeel, de zogenaamde uitklapbare torenconstructie (DTA), verbindt de twee delen. Wanneer het observatorium voor de lancering wordt ingepakt, wordt de DTA samengedrukt, een beetje zoals een zuiger, om het opgevouwen observatorium in de bescherming bovenop de raket te plaatsen. Eenmaal in de ruimte zal de toren zich uitstrekken om het ruimtevaartuiggedeelte, dat op kamertemperatuur is, te scheiden van de koelere optische telescoopinstrumenten en om het zonnescherm en de telescoop volledig te laten uitklappen.
Deze animatie toont de ideale uitvoering van de ontplooiing van de James Webb-ruimtetelescoop, uren en dagen na de lancering. Door de uitklapbare centrale torenconstructie wordt de afstand tussen de twee delen van de MIRI vergroot. Deze delen zijn met elkaar verbonden door spiraalvormige buizen gevuld met gekoeld helium.
Maar voor het verlengingsproces moet de heliumbuis worden verlengd met behulp van de uitschuifbare torenconstructie. De buis rolt dus op als een veer, vandaar dat de ingenieurs van MIRI dit deel van de buis de bijnaam "Slinky" gaven.
"Het werken aan een systeem dat meerdere regio's van het observatorium omvat, brengt de nodige uitdagingen met zich mee", aldus Analyn Schneider, programmamanager van JPL MIRI. "Deze verschillende regio's worden geleid door verschillende organisaties of centra, waaronder Northrop Grumman en het Goddard Space Flight Center van NASA in de VS. We moeten met iedereen overleggen. Er is geen andere hardware op de telescoop die dat hoeft te doen, dus het is een unieke uitdaging voor MIRI. De ontwikkeling van de MIRI-cryokoelers heeft zeker een lange weg afgelegd, en we zijn er klaar voor om ze in de ruimte te zien."
De James Webb-ruimtetelescoop wordt in 2021 gelanceerd als 's werelds belangrijkste observatorium voor ruimteonderzoek. Webb zal de mysteries van ons zonnestelsel ontrafelen, verre werelden rond andere sterren bestuderen en de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin onderzoeken. Webb is een internationaal initiatief onder leiding van NASA en haar partners ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.
MIRI is ontwikkeld in een samenwerkingsverband tussen NASA en ESA (European Space Agency), waarbij beide partijen de taken gelijkwaardig verdelen. JPL leidt de Amerikaanse inspanningen voor MIRI, terwijl een multinationaal consortium van Europese astronomische instituten bijdraagt ​​aan ESA. George Rieke van de Universiteit van Arizona is de leider van het Amerikaanse wetenschappelijke team van MIRI. Gillian Wright staat aan het hoofd van het Europese wetenschappelijke team van MIRI.
Alistair Glasse van ATC, VK is instrumentwetenschapper voor MIRI en Michael Ressler is projectwetenschapper voor de VS bij JPL. Laszlo Tamas van ATC VK is verantwoordelijk voor de Europese Unie. De ontwikkeling van de MIRI-cryokoeler werd geleid en beheerd door JPL in samenwerking met NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en Northrop Grumman in Redondo Beach, Californië.