Completado el espectacular despliegue del telescopio espacial James Webb

Por Daniel Marín, el 9 enero, 2022. Categoría(s): Astronáutica • Astronomía • NASA ✎ 122

Aunque todavía tiene que colocarse en su órbita de halo alrededor del punto de Lagrange ESL2, el telescopio espacial James Webb (JWST) ha logrado uno de los hitos de la exploración espacial del siglo XXI al completar el despliegue de la mayor parte de elementos que lo forman. Por tanto, una vez desplegados el escudo solar, el espejo secundario y los paneles laterales del espejo primario, ya podemos decir con confianza que la fase más crítica del «mes de terror» del James Webb ha quedado atrás. La aventura comenzó el pasado 25 de diciembre a las 12:20 UTC, cuando un Ariane 5 ECA+ europeo colocó al JWST en una órbita de 315 x 1 000 000 kilómetros rumbo al punto L2. Casi tan importante como el lanzamiento era la precisión en la inserción orbital del mismo. De ella dependía que el JWST no malgastase sus preciosas reservas de propergoles hipergólicos en corregir una inserción con un error muy grande. No olvidemos que la vida útil del James Webb está limitada por los 300 kg de propergoles —hidrazina y tetraóxido de nitrógeno— que alimentan los motores SCAT y MRE-1 DTM. Antes del lanzamiento, esta vida útil se estimaba en unos 10,5 años teniendo en cuenta el combustible que se pudiese gastar para compensar una mala inserción orbital.

El James Webb ya está desplegado en el espacio (Adriana Manrique Gutiérrez / NASA).

Curiosamente, el Ariane 5 ECA+ solo podía situar al JWST en una órbita con menos energía de la necesaria para alcanzar L2. La razón es que el observatorio no podía girar sobre sí mismo 180º para frenar su velocidad debido a que la temperatura de la nave no debe superar determinados valores. Dicho de otra forma, el observatorio únicamente podía acelerar para compensar un eventual error en la trayectoria. Afortunadamente, la misión VA256 del Ariane 5 fue un éxito y el error fue mínimo. Aunque todavía hay que comprobar las prestaciones de los propulsores a lo largo de los próximos meses, es muy posible que las reservas de propergoles puedan aguantar cerca de veinte años, por lo que tenemos James Webb para rato.

Vista del James Webb desde la segunda etapa del Ariane 5 con sus principales componentes (ESA).
Geometría de separación del James Webb de la segunda etapa del Ariane 5. El JWST debe estar de «espaldas» al Sol en todo momento (con un ángulo máximo de 20º) para evitar un excesivo calentamiento (NASA).
Partes del James Webb (NASA).
Secuencia de despliegue del JWST (ESA).

El primer elemento en ser desplegado de la misión fue el panel solar. Aunque se esperaba que se abriese 33 minutos después del despegue, en realidad se trataba de una maniobra automática dirigida por el ordenador de abordo una vez este verificara la correcta separación de la segunda etapa del Ariane 5 y que el observatorio estaba situado en la orientación adecuada con respecto al Sol. El resultado fue que el panel solar se desplegó a los 29 minutos de la misión, aproximadamente, lo que permitió que la maniobra fuese filmada por la cámara que llevaba la segunda etapa ESC-D del Ariane. El panel solar, de cinco segmentos, genera 2,14 kilovatios de potencia y es el encargado de alimentar los sistemas e instrumentos del James Webb a través de una batería de 52,8 amperios-hora. Aunque el panel solar funciona correctamente, durante los siguientes días la NASA se dedicó a estudiar en detalle sus prestaciones debido a que la potencia generada por el panel dista de ser óptima (ahora produce energía de sobra, pero a medida que se vaya degradando habrá que vigilar su comportamiento). Y es que, desgraciadamente, por culpa de las limitaciones de peso no fue posible incluir un panel solar de mayor tamaño.

El panel solar en configuración de lanzamiento (NASA).
Detalle del bus del James Webb con el panel solar (NASA).
El panel solar durante una prueba de despliegue (NASA).
Panel solar del James Webb (Northrop Grumman).
El JWST con el panel solar desplegado (NASA).

El siguiente suceso de la misión era aún más crítico si cabe. Se trataba de la primera maniobra de corrección de la trayectoria o MCC-1a (Mid Course Correction Burn 1a), que debía tener lugar con el JWST a 133000 kilómetros de la Tierra. Esta maniobra tenía como objeto compensar las prestaciones del lanzador Ariane, que, como vimos arriba, situó al James Webb en una trayectoria con una velocidad menor de la necesaria. La MCC-1a tuvo lugar el 26 de diciembre a las 00:50 UTC, con una duración de 65 minutos. El observatorio aumentó su velocidad en unos 16 m/s usando los dos motores SCAT (Secondary Combustion Augmented Thrusters) 1 y 2 (solo se encendió uno de los motores, mientras el otro actuaba de reserva). Estos dos motores, también denominados SCAT MCC-1, están situados casi en el centro del bus del telescopio y se emplearon exclusivamente en las maniobras MCC-1a y MCC-1b, ya que para la maniobra MCC-2 el centro de gravedad del vehículo habrá cambiado significativamente. Ese mismo día, alrededor de las 15:00 UTC, el JWST comenzó el despliegue del mástil GAA (Gimballed Antenna Assembly) con la antena de alta ganancia (HGA), un elemento clave a la hora de transmitir un mínimo de 57,2 GB de datos al día durante la misión científica. El proceso, que incluyó la comprobación de movimientos del mástil, llevó una hora aproximadamente. Al mismo tiempo, la tupida red de sensores de temperatura del observatorio se activaron por primera vez.

Sistema de propulsión hipergólico del James Webb. Los motores SCATs se usarán para las maniobras de Delta-V necesarias para alcanzar el punto L2. Los motores DTM de hidrazina se usarán para controlar periódicamente la orientación del telescopio y descargar el momento angular de los giroscopios (NASA).
Situación de los motores en el bus (NASA).

El 27 de diciembre a las 20:00 UTC el JWST superó la órbita lunar —aunque en ese momento la Luna se encontraba muy lejos del observatorio en otro punto de su órbita—, y el 28 de diciembre a las 00:20 UTC se efectuó la segunda maniobra MCC-1b, con una duración de 9 minutos y 27 segundos. La Delta-V de esta maniobra fue de 2,8 m/s, suficiente para compensar los pocos errores de la MCC-1a y colocar al observatorio en la trayectoria precisa hasta L2. También el 28 de diciembre a las 18:21 UTC se completó el despliegue de la plataforma UPS delantera, un proceso que llevó 20 minutos. Las UPS (Unitized Pallet Structures) delantera y trasera son dos plataformas sobre las que se hallan las cinco capas del escudo solar del James Webb junto con los cables y poleas que empleados para tensarlas. Al día siguiente, a las 00:27 UTC, la UPS trasera terminó de ser desplegada después de un proceso que se prolongó 18 minutos.

El James Webb durante las pruebas en tierra del despliegue de las UPS (Northrop Grumman).
Prueba de plegado del escudo solar en las UPS (NASA).
Estructura de las UPS (NASA).
El James Webb con las plataformas UPS delantera y trasera desplegadas (NASA)

El 29 de diciembre, entre las 14:45 y las 21:24 UTC, se desplegó la torre DTA (Deployable Telescope Tower Assembly), que básicamente es un tubo que, al alargarse, eleva el conjunto formado por la óptica OTE y el compartimento de instrumentos ISIM. De esta forma, la óptica y los instrumentos quedaron a una distancia de 1,22 metros del resto del satélite para facilitar el enfriamiento de la estructura una vez desplegado el escudo solar.

Sistema DTA (Northrop Grumman).
El tubo DTA antes del lanzamiento (NASA).
Configuración de lanzamiento de la estructura DTA plegada (NASA).
La DTA en configuración de lanzamiento (arriba) y desplegada (NASA).
El JWST con la DTA desplegada (NASA).

Cinco días después del despegue, el 30 de diciembre a las 14:00 UTC, el JWST abrió el panel AMF (Aft Momentum Flap) en la UPS trasera para compensar el empuje generado por la presión de radiación de la luz solar. Con el escudo solar una vez abierto, el JWST es básicamente una vela solar. Esto tiene varios efectos sobre el control del telescopio; el principal es que los volantes de inercia se cargan con momento angular para contrarrestar el empuje generado por la luz solar, motivo por el cual hay que usar los pequeños propulsores MRE para descargar regularmente estos volantes (lo que a su vez explica que el combustible sea la principal limitación de la vida útil del telescopio). Para mitigar estos efectos, agravados por la asimetría de la parte delantera y trasera del escudo solar, y mantener el telescopio correctamente orientado, se usa el AMF.

Aft Momentum Flap (NASA).

El 30 de diciembre a las 17:27 UTC concluyó el proceso para retirar las protecciones del escudo solar. Precisamente, al día siguiente empezó la fase más crítica de esta fase de operaciones del James Webb: el despliegue de dicho escudo. Las cinco capas de Kapton E son esenciales para permitir que la temperatura en el «lado nocturno» del telescopio sea de —233 ºC, de tal forma que los instrumentos del observatorio puedan ver en el infrarrojo. Para abrir el escudo, dos mástiles telescópicos situados en el bus del observatorio, denominados DRSA-H (Deployable Radiator Shade Assembly/Horizontal) o SMBA (Sunshield Mid-Boom Assembly) y formados por cinco segmentos, se tenían que abrir poco a poco. A las 18:30 UTC del 31 de diciembre comenzó la extensión del mástil izquierdo o de babor (+J2), que se completó a las 21:49 UTC. Por su parte, a las 23:31 UTC comenzó el despliegue del mástil de estribor (-J2), que finalizó a las 03:13 UTC del 1 de enero. Con los mástiles alargados, el escudo solar cubre 21,197 x 14,162 metros, una dimensiones que a la NASA le gusta comparar con el tamaño de una pista de tenis. El proceso de apertura del escudo se retrasó un día aproximadamente para dar tiempo a analizar un pequeño problema con los sensores destinados a avisar de la correcta apertura de las cubiertas del escudo, que no se activaron cuando debían. No obstante, el equipo del JWST empleó datos de los giróscopos y de los sensores de temperatura para comprobar que las cubiertas se habían retirado correctamente. Con el fin de abrir los mástiles, el JWST tuvo que activar 107 de los 178 mecanismos no explosivos usados para mantener el observatorio plegado en la configuración de lanzamiento.

Los dos mástiles MBA antes y después del despliegue (Northrop Grumman).
Primero se abrió el mástil de estribor (-J2) (NASA).
Detalle de los mástiles y las UPS desplegadas en tierra (NASA).
Uno de los mástiles en configuración de lanzamiento (NASA).
Un técnico revisa el plegado de las capas del escudo solar del JWST (NASA).
Otra vista de los mástiles durante las pruebas en tierra (NASA).
El escudo con los mástiles desplegados (NASA).

Sin embargo, el escudo solar no sirve de nada si no se tensionan las cinco capas para establecer una correcta separación entre las mismas y que puedan servir como barrera contra la radiación térmica. Las cinco capas de kapton han sido recubiertas con aluminio, aunque las dos capas más externas también tienen una cubierta de silicio que les da un característico color rosado. La capa 1, situada en la parte exterior que da al Sol, tiene solo 0,05 milímetros de espesor, mientras que las otras cuatro capas tienen la mitad de grosor, o sea, 0,025 milímetros. La capa 5, la más interna, es la más pequeña y curvada, mientras que la capa 1 es la mayor y la más plana. La secuencia de separación de las capas se retrasó un par de días para analizar el comportamiento del panel solar y del sistema de gestión de energía de la nave, y también para orientar correctamente el observatorio de tal forma que la temperatura de los motores que debían tensar las capas fuese la adecuada. Por fin, el 3 de enero de 2022 a las 15:00 UTC comenzó la separación y tensionado de las capas, una maniobra que requirió la acción de 139 actuadores y ocho motores. A las 20:48 UTC ya se había completado el tensado de la capa 1. El lento y delicado proceso finalizó el 4 de enero, diez días después del lanzamiento, cuando a las 16:59 UTC se terminó de tensar la capa 5. A partir de ese momento, las temperaturas en el lado nocturno del JWST comenzaron a bajar significativamente. El tensado de cada capa llevó unos 70 minutos, aproximadamente.

Vista de las cinco capas del escudo solar separadas y tensadas (NASA/Chris Gunn).
Las cinco capas tensadas durante las pruebas en tierra (NASA).
Una curiosa imagen del modelo a escala 1:3 del escudo solar del James Webb con el que se hicieron las pruebas térmicas, ya que el escudo real era demasiado grande para meterlo en una cámara de vacío (NASA).

El JWST es el primer telescopio espacial infrarrojo que emplea un sistema de refrigeración pasivo mediante un escudo solar en vez de uno activo con helio o hidrógeno, una decisión que permite aumentar su vida útil significativamente. El diseño de estos escudos se conoce como de «surco en forma de V» (V-groove shield) y su funcionamiento se basa en que el calor absorbido por una capa se refleja en la siguiente hasta ser expulsado al espacio gracias al ángulo que forman las distintas capas entre ellas (no sirve si las capas son paralelas, de ahí que la capa más exterior sea casi plana y la interior esté curvada). Aprovechando que el vacío es un magnífico aislante, este sistema permite alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto sin sistemas activos. Este sistema fue inventado por Ray Garcia y Helene Schember. El primer escudo de este tipo fue construido por Lockheed Martin y voló por primera vez en 1992 a bordo del instrumento GRS de la malograda sonda Mars Observer. Pero quizá el más famoso sea el que llevó el satélite europeo Planck, lanzado en 2009 hacia el punto L2 para observar el fondo cósmico de microondas. Planck llevaba un escudo solar no desplegable formado por tres capas que le permitían alcanzar una temperatura de unos 40 kelvin, como el JWST.

El JWST con el escudo solar desplegado en tierra (Northrop Grumman).
Secuencia de enfriamiento del James Webb gracias al escudo solar (NASA).
El JWST con el escudo solar desplegado (NASA).

El escudo solar estaba desplegado, pero el James Webb seguía sin ser un telescopio funcional. Efectivamente, la luz reflejada por el espejo primario no tenía a dónde ir porque el espejo secundario no estaba en su lugar. El 5 de enero a las 16:16 UTC comenzó el despliegue de la estructura del espejo secundario, un trípode denominado SMSS (Secondary Mirror Support Structure). Para permitir que el trípode estuviese plegado durante el lanzamiento, dos de los brazos son rígidos, mientras que el tercero —superior— dispone de un codo por donde se dobla. El proceso de colocar el trípode en su sitio finalizó a las 16:52 UTC. Ahora sí, con el espejo secundario de 74 centímetros de diámetro correctamente situado, el JWST ya era un telescopio «de verdad».

Configuración plegada de la óptica (OTE) (NASA).
Espejo secundario del JWST (NASA).
La estructura de la óptica del JWST, incluyendo el trípode del secundario (NASA).
Detalle de la óptica del James Webb con el espejo secundario desplegado (NASA).
La estructura SMSS del espejo secundario desplegada en tierra (Northrop Grumman).
Ensayando el despliegue de la estructura, de 8 metros de alto, en tierra (NASA).
El espejo secundario en el extremo de la estructura (Northrop Grumman).
El James Webb con el espejo secundario en su sitio el 5 de enero de 2022 (NASA).

El 6 de enero a las 13:48 UTC se situó en la posición adecuada el radiador ADIR (Aft Deployed Instrument Radiator) de la sección de instrumentos (ISIM). Este radiador es esencial para eliminar el calor generado por los propios instrumentos y que estos puedan seguir observando en el infrarrojo. Pero todavía quedaba colocar en su lugar las dos «alas» laterales —con tres segmentos del espejo primario cada una—, conocidas como PMBA (Primary Mirror Backplane Assembly). Sin este paso, el espejo primario del JWST, formado por 18 segmentos de berilio recubiertos por una fina capa de oro, se quedaría sin un tercio de su poder colector de luz y su misión científica quedaría seriamente comprometida. El ala de babor con tres segmentos se colocó en su lugar el 7 de enero a las 19:11 UTC, mientras que el ala de estribor terminó su despliegue a las 18:17 UTC del 8 de enero. Aunque la secuencia de mover las alas laterales hasta la posición correcta apenas llevó unos cinco minutos, el equipo del JWST debía asegurarse primero que la temperatura de los motores —equipados con calefactores— era la adecuada. Por otro lado, el proceso posterior para asegurar las alas en su sitio mediante mecanismos específicos duró unas dos horas.

Comienzo del despliegue del ala de babor (NASA).
Detalle del ala de estribor durante su despliegue en tierra (NASA).
La estructura de una de las alas durante los tests criogénicos en 2013 (NASA).
El ala de babor y el trípode del espejo secundario plegados antes del lanzamiento (NASA).
¡El James Webb ha finalizado su despliegue! (NASA).

Con las dos alas del espejo primario en su sitio, el James Webb culmina con un éxito rotundo un desafío tecnológico que pasará a la historia de la exploración espacial. Pocos apostaban que la agencia espacial sería capaz de lograr el despliegue del James Webb sin ningún tipo de problema significativo. No cabe duda de que estamos ante uno de los mayores logros de la NASA. Ahora el observatorio espacial tiene ante sí la maniobra MCC-2 para situarse en la órbita de halo alrededor de L2. A partir de entonces empezará a calibrar sus instrumentos y, con suerte, antes del verano podremos ver alguna imagen procedente del observatorio espacial más ambicioso jamás construido.

El JWST ya es un telescopio espacial (NASA).


122 Comentarios

    1. Un artículo a la altura del evento que narraba. Ha estado genial.
      Sigamos cruzando los dedos para que todo continúe tan bien como hasta ahora. 🤞

      1. El aspecto científico es el objetivo pero sin duda para el hominido de a pie lo que más mola a ser los nuevos fondos de pantalla para el PC que nos va a proporcionar el observatorio

        1. Que costaria hacer un segundo james webb como se hizo con el curiosity.

          Utilizando todos los componentes y sin hacer grandesvmodificaciones. Se podria reducir de 10000 millones a 5000 por ejemplo?

          Y otra cuestion, se podria realizar un segundo hubble aprovechando el 2 telescopio que dono la NSA?

          1. Con respecto a la primera cuestión, nadie lo sabe. Pero el asunto es que la prioridad de la comunidad científica después del James Webb es un observatorio espacial que observe en el visible y ultravioleta, además de estar centrado en el estudio de exoplanetas, no otro telescopio infrarrojo, así que no tendría mucho sentido hacer un JWST 2.0:

            https://danielmarin.naukas.com/2021/11/14/decidiendo-como-sera-el-proximo-gran-telescopio-espacial-de-la-nasa/

            En cuanto a la segunda pregunta, la respuesta es no. Las ópticas donadas por la NRO a la NASA son para telescopios con un campo muy amplio, diferente a la del Hubble. De todas formas, el Nancy Grace Roman (WFIRST), que usa una de estas ópticas, ya es en cierto modo un Hubble 2.0. Esperemos que no lo cancelen.

          2. No creo que el ahorro fuera considerable. Pervererance tenía que costar la mitad que Curiosity y al final costó grosso modo lo mismo.

            Una réplica del Webb no sería tan réplica. No tendría sentido hacer otro telescopio de IR. Eso conlleva varios cambios:
            1 – El instrumental científico debe ser diferente.
            3 – No te hacen falta 5 capas de parasol.
            4 – Si lo haces de visible o UV la capa finsl de oro no sirve. Por otro lado, la precisión de pulido de espejos debe ser mayor.

            Saludos

    2. Es grandioso,la capacidad humana para tan bella tecnología , que traspasa, sitios tan distantes con máquinas de tanta complejidad,y poder seguir ahí mirando y siguiendo su despliegue,es una incomparable hazaña, felicitaciones a quienes son partícipes en esta gran misión, y que podamos continuar aprendiendo más de nuestra compleja existencia

  1. Impresionante entrada, uno no deja nunca de aprender con el amigo Daniel.

    Visto lo visto, después de tanto miedo que teníamos, parece fácil y todo. Esperemos que la óptica esté bien alineada y los instrumentos funcionen correctamente.

    Saludos

    1. Coincido totalmente, aún sabiendo el final y aprender en las 3 horas de RadioSkylab sobre el tema, no he dejado de morderme las uñas mientras leía con el pulso acelerado.

      Como todos, nunca deja de sorprendernos el Sr. Marín y nos faltan palabras para agradecer su trabajo.
      Es la Wikipedia del espacio en Castellano.

  2. Perfecto!

    Poco a poco van quedando menos elementos por desplegar que nos puedan infundir ‘terror’… Ahora cabe esperar que su inserción en la órbita prevista no tenga mayores contratiempos.

    El único lunar en esta impecable puesta en servicio del Webb es, como nos dice Daniel, la prestación del panel solar y su degradación con el paso del tiempo. Quizá se esperaba más de él en su estreno, me parece entender… Sería tremendo que se acortara su vida operativa por algo así.

    A ver si se da información suplementaria sobre este asunto…

    1. Yo he pensado lo mismo, que siendo impresionante el artículo, se ha pasado de puntillas sobre un aspecto que puede resultar siendo bastante grave. Entiendo porque habrán pensado en soluciones alternativas.
      Respecto a lo del pastizal que ha costado, a lo mejor en treinta años parecerá barato en compensación con lo que descubrió, como ha pasado otras muchas veces.
      Saludos

    2. Normalmente instalan potencia de sobras y no recuerdo ninguna misión que se haya perdido por esta causa. Los paneles solares se degradan muy poco con el tiempo (aproximadamente 0,5% por año, en los que se instalan en el espacio), por lo que no debería ser un problema, claro que es aventurado decirlo sin tener datos más concretos. Sería preocupante si el fallo no está en el panel solar en sí sino en algún sistema que se encarga de distribuir su energía. Veremos a ver. Saludos.

  3. Me pregunto si, cuando se quede sin combustible, sería posible impulsarlo usando el escudo como vela solar. Deberían haberle puesto un escudo extra móvil.

    1. Qué suspense!
      Vaya diseños bonitos! Me encanta la primera ilustración de Adriana M.G.
      Leer cada paso, y con tanto detalle, así explicado relaja y enriquece, es un telescopio curioso.
      Gracias!

  4. Genial entrada!!!!
    El año empieza de la mejor manera posible, veremos como termina.
    Off topic:
    El lanzamiento de Artemisa 1 se retrasa.
    Veremos si ahora la SS llega a órbita antes que el SLS…
    En ésta época son interesantes hasta los retrasos!!!

  5. Muy buen artículo. Cómo un «Transformer» dicen en la ESA, me ha recordado a este vídeo: https://youtu.be/TG4GaPcLgOs?t=26

    Ahora solamente queda que esté todo bien colimado y que no haya un equivalente de los problemas del Hubble. La NASA otra vez demostrando que cuando las cosas las hacen bien son muchas veces realmente bien.

    1. Muchas veces me he parado a pensar lo que hubiera sido el apollo XI con daniel de narrador. La de años y años que pasaron hasta que empecé a enterarme mejor de todo lo acontecido. Y de como funcionaba. Y la de años que pasaron hasta que pude acceder al archivo de fotos de la NASA. Por eso me gustaría poder ser testigo de una nueva odisea lunar.

  6. La verdad es que el telescopio es absolutamente impresionante.Pensandolo fríamente es una obra maestra de la ingeniería.Que tenga suerte y nos muestre imágenes increíbles.
    Y felicidades a Daniel por su grandisimo articulo.Espectacular.

    1. Qué afortunad@s somos de vivir este histórico momento para la humanidad y además poder tener acceso a la mejor explicación posible.
      Tu trabajo es inmejorable, Daniel.
      Muchas gracias

  7. Excelente crónica!! 👏 la verdad que el despliegue de este telescopio demuestra el poder tecnológico de la NASA y USA. El Webb (no le hubiera costado nada a la NASA renombrar este gran instrumento como Stephen Hawking) seguramente encontrará objetos antes desconocidos, al ampliar el rango de observación astronómico. Lo que más me fascina es el despliegue del escudo solar, igual que una vela mediante cabos y el flap no aerodinámico en sino fotodinámico ⛵⬅🌞

  8. Una excelente descripción del despliegue del JWST. Todos los sobrecostes y retrasos, la amenaza de la cancelación, se disipan en estos últimos 15 días con un trabajo espectacular por parte del equipo del telescopio espacial, y un comportamiento impecable del observatorio (y el magnífico vuelo del Ariane 5 por lo preciso y seguro). Sin duda ha merecido la pena la espera y las tribulaciones.

  9. Excelente entrada solo falta la incercion obital y que se alineen los espejos además que se compense el gran costo con un retorno científico osea que se pueda responder grandes preguntas de la astronomía y astrobiologia

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