James Webb Space Telescope, cartoline dal cosmo

Da una cinquantina di anni abbiamo inviato nello spazio una successione di strumenti sempre più sensibili e performanti per la ricerca astronomica e astrofisica, motore dell’innovazione sono le tecnologie microelettroniche e dei materiali. Col James Webb Space Telescope (Jwst) abbiamo ora in orbita attorno al Sole il più sofisticato e potente, ma anche più costoso satellite di ricerca mai realizzato finora, un concentrato di estremi tecnologici.

Tra gli ultimi satelliti di ricerca, sebbene in orbita da 30 anni, Hubble Space Telescope ha rivoluzionato le conoscenze permettendoci di vedere sempre più nel passato ben oltre quanto si poteva prevedere quando è stato progettato 40 anni fa. Oltre alla grande messe di scoperte e spettacolari immagini che Hubble ha prodotto in 30 anni, proprio recentemente ha di nuovo ampliato la visione dell’universo individuando una stella così lontana che la sua luce ha impiegato 12,9 miliardi di anni per raggiungere la Terra, apparendo ai nostri occhi come quando l’universo aveva solo il 7% della sua età attuale.

Jwst è 100 volte più sensibile di Hubble e dovrebbe permettere di vedere le prime stelle all’alba cosmica, 100 milioni di anni dopo il Big bang, 13,5 miliardi di anni fa.

Keystone
La prima foto catturata dal James Webb Space e diffusa ai media dalla NASA lunedì 11 luglio 2022 mostra l’ammasso di galassie SMACS 0723

L’evento mediatico

James Webb Space Telescope, a sei mesi dal lancio, fa per così dire il (primo) botto. Oggi alle 16.30 ora svizzera, la Nasa – dopo un’anticipazione fatta ieri sera dal presidente statunitense Joe Biden – ci mostra in una trasmissione in diretta le prime immagini che i nuovi strumenti hanno già prodotto, evento mediatico che segna l’inizio, speriamo, di lunga vita operativa per continuare la ricerca sull’origine delle galassie, stelle e sistemi planetari dell’astrofisica in generale.

Pur essendo un progetto datato, nel senso che è stato avviato 35 anni fa, ma che per la sua complessità e le grandi difficoltà realizzative ha subito una lunga serie di ritardi, Jwst è ora finalmente operativo a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra. Per far funzionare il nuovo ultrasensibile occhio per l’infrarosso è riuscito a creare il punto più freddo del sistema solare seppur lontano solo 151 milioni di chilometri dal Sole, ma nell’ombra della Terra e protetto da 5 teli ultrasottili grandi come un campo di tennis.

Alla ricerca di fonti infrarosse

Per vedere nel lontano passato si scruta l’universo alla ricerca di fonti infrarosse. I primi corpi celesti generati agli albori dell’universo 13,8 miliardi di anni fa si allontanano da noi a velocità crescente e da luce visibile cambiano colore diventando per noi infrarosso: infatti la frequenza della luce emessa diminuisce, di converso la lunghezza d’onda si stira, si allunga di 20 volte, come la sirena dell’ambulanza che cambia il tono quando si allontana da noi per rapporto a quando si avvicinava. Stelle primordiali che non vedremo più gialle o bianche ma che riveliamo nell’infrarosso.

Con Jwst si vuole osservare sia l’infrarosso vicino (0,6 a 5 micron) grazie al sensore realizzato con cadmio mercurio e tellurio che funziona a -236 °C, sia l’infrarosso medio (5 a 28 micron) con un sensore silicio arsenico che richiede una temperatura di -267 °C. L’infrarosso è l’emissione di calore di un corpo, inizia a manifestarsi poco sopra lo zero assoluto. Se vogliamo poter rilevare i debolissimi segnali dell’infrarosso che ci arrivano da lontanissime stelle non dobbiamo avere emissioni di calore nello strumento che usiamo per l’osservazione, è come voler osservare le stelle dalla Terra di giorno, meglio aspettare che il Sole sia tramontato e meglio ancora se andiamo in un posto senza illuminazione o smog luminoso.

Negli strumenti all’infrarosso abbiamo lo stesso problema, il calore ambiente dello strumento emette radiazioni infrarosse che coprirebbero le debolissime radiazioni che si vogliono scoprire nell’universo primordiale. Occorre quindi raffreddare all’estremo lo strumento portandolo a temperature vicine allo zero assoluto.

Strumenti raffreddati all’estremo

Jswt è una nuova grande piattaforma che combina grandi superfici per proteggere dall’irraggiamento del Sole e ridurre la temperatura ambiente del telescopio, un grande specchio a moduli per puntare con grande precisione su corpi celesti lontanissimi quindi infinitesimamente piccoli e un sensore raffreddato a pochi gradi sopra lo zero assoluto per rilevare questi corpi. Il tutto impacchettabile nello spazio disponibile su un vettore e di massa minima per poterlo lanciare a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra.

Tra le grandi sfide tecnologiche di Jwst c’è il sistema di raffreddamento necessario per portare lo strumento Medium Infrared Instrument (Miri) alla temperatura di -267 °C, la punta del freddo del telescopio.

Nelle nostre case per mantenere freddi e conservare alimenti abbiamo tutti un frigorifero e a volte un condizionatore per raffrescare. Ambedue funzionano secondo il principio della trasformazione di un liquido che evaporando in gas assorbe calore, gas che poi viene compresso allo stato liquido rilasciando il calore all’ambiente esterno.

Per raffreddare il telescopio Jwst è dotato di uno scudo termico che lo protegge dalle radiazioni del Sole, in parte già schermate dalla Terra che si trova sempre tra Jwst e il Sole. Schermo composto da cinque leggerissimi e sottilissimi teli di capton che raffredda il telescopio a meno 236 °C. Poi per raffreddare ulteriormente il sensore dello strumento Miri Jwst dispone di un microfrigorifero, un cryocooler, a tre stadi dotato di compressore che raffredda Miri a -267 °C o 6-7 °C sopra lo zero assoluto.

Chiaramente un compressore che per natura vibra non è consigliabile a bordo di un telescopio che deve rimanere immobile per lunghi periodi per puntare su oggetti celesti distanti miliardi di anni luce. La soluzione: compressore a due cilindri che lavorano in opposizione e compensano reciprocamente la vibrazione.

Ma quello che rende tutto il raffreddamento ancor più difficile è che il punto più freddo di Jwst si trova a pochi metri dalla parte che è esposta al Sole e quindi calda, temperatura 85° C, dove sono alloggiati i pannelli fotovoltaici che forniscono l’energia alla piattaforma e al telescopio. Grazie allo schermo per raffreddamento passivo e il cryocooler per raffreddamento attivo su Jwst si realizza un raffreddamento di 350 °C.

Un megaspecchio di 6,5 metri

Altra ‘mission impossible’ lo specchio che come un classico telescopio raccoglie luce su una grande superficie per amplificarla concentrandola sul sensore. L’esigenza di raccogliere la debolissima radiazione che arriva da ancor più lontano di quanto possibile finora ha chiesto dimensioni nettamente superiori ai 2,4 metri dello specchio di Hubble. Con un diametro di 6,5 metri lo specchio di Jwst ha dovuto essere progettato per essere ripiegato per trovar posto nella stiva, cioè la punta di un vettore. La soluzione: un mosaico di 18 segmenti esagonali raggruppati in tre parti da dispiegare dopo il lancio per formare il grande specchio.

Ogni segmento deve essere orientabile con estrema precisione tramite attuatori piezoelettrici capaci di controllare raggio di curvatura, posizione e rotazione lungo i tre assi a passi di 10 nanometri (un decimillesimo di un capello) per creare la forma perfetta dello specchio come se fosse un pezzo unico.

La superficie dei segmenti realizzati in berillio con la superficie poi dorata per riflettere al meglio la radiazione infrarossa è stata lavorata con estrema precisione. Nasa descrive che l’errore massimo ammesso è di 2-3 cm su una superficie di un continente.

Il tutto è sostenuto da una struttura meccanica tanto robusta e rigida quanto più leggera possibile per essere lanciata nello spazio. Il peso di Jwst rappresenta circa il 2% di un normale telescopio terrestre di dimensioni analoghe, ma è pur sempre di 6 tonnellate, il limite massimo per Ariane 5 per un lancio verso il punto Lagrange 2.

In funzione per cinque anni Ma probabilmente di più

Il tutto deve funzionare per anni in modo energeticamente autarchico con l’energia prodotta da pannelli fotovoltaici da 2 kW, poca energia per quattro strumenti e una grande piattaforma che richiede ottimizzazioni ed efficienza energetica spinte al massimo. Complessa la progettazione anche dell’elettronica di bordo che gestisce e controlla satellite e strumenti, posizionata sia nella parte calda, quella esposta verso Terra e Sole dove la temperatura è 85 °C e si deve disperdere il calore che l’elettronica produce con appositi radiatori, sia nella parte del telescopio protetta dallo scudo dove la temperatura è volutamente estremamente bassa a -236 °C, dove l’elettronica per funzionare viene riscaldata ma in modo estremamente efficiente per non disperdere troppo calore laddove si vuole operare a temperature più basse possibile. Anche qui gli estremi che si toccano.

Elettronica che oltre a costituire il cuore dei quattro strumenti serve alla gestione della piattaforma, la regolazione termica, la gestione energetica, la comunicazione con la Terra ma soprattutto deve saper orientare e mantenere l’enorme struttura del telescopio con una precisione di puntamento di 1 arcsec (1/3600 di grado) con regolazione errore al millesimo di arcsec.

Jwst non avrà la lunga vita di Hubble concepito ai tempi della navetta e messo in orbita terrestre in modo da poter essere riportato a Terra o come poi avvenuto essere riparato o aggiornato tramite specifiche missioni.

Jwst si trova troppo lontano per essere raggiunto da una missione umana, è stato costruito per una durata di vita di 5 anni. L’esperienza dice che satelliti e sonde poi durano sempre molto di più. Intanto grazie a un lancio molto preciso del vettore Ariane 5 finora l’uso di propellente necessario per le future regolari piccole correzioni di orbita e assetto è stato molto limitato.

Infatti grazie alla precisissima traiettoria con spinta fino a 30’000 km/h generata del vettore Ariane 5 le previste correzioni di traiettoria durante il viaggio di un mese per raggiungere il punto di Lagrange 2 hanno richiesto meno tempo e quindi minor consumo di propellente, che rimarrà a disposizione per le citate correzioni in fase operazionale per ben oltre i 10 anni sperati. Anche questo un esempio di come nelle tecnologie spaziali si riesca a controllare con grande sensibilità e precisione un gigante come Ariane 5 da 800 tonnellate di massa, spinto da un potentissimo motore, un po’ quanto troviamo in Jwst dove con l’estremamente piccolo si gestisce e controlla con assoluta precisione una grande struttura.

Jwst, un concentrato di innovazioni costato sei volte quanto previsto e terminato con 14 anni di ritardo, è finalmente lo strumento più complesso e avanzato finora inviato nello spazio. Tecnologicamente al limite dell’impossibile. Un grande successo per Nasa, Esa, Agenzia Spaziale Canadese e tutte le industrie e istituti di ricerca che l’hanno realizzato.