La Metrologia dietro il James Webb Space Telescope

La produzione del sofisticato sistema ottico del telescopio spaziale James Webb della NASA ha richiesto nuove tecnologie e metodi per garantire che i suoi componenti potessero funzionare come previsto e ha rappresentato una sfida metrologica significativa.

Il James Webb Space Telescope (JWST) ha da poco terminato le operazioni di dispiegamento nello spazio e prodotto le prime spettacolari immagini scientifiche dell’Universo divulgate pochi giorni fa. Il JWST opererà a una temperatura nominale inferiore a 50 K (-223,15 °C) e in alto vuoto nello spazio profondo a 1.5 milioni di chilometri dalla Terra, in orbita nel punto lagrangiano L2 del sistema Sole-Terra, ben oltre qualsiasi possibile missione di servizio con equipaggio. Il telescopio utilizza tecnologie uniche come uno specchio primario di circa 6.5 metri di diametro costituito da 18 segmenti meter-class leggeri, realizzati in berillio e ricoperti da una sottile lamina d’oro, un sistema di attuatori per l'allineamento e la messa in forma dei singoli segmenti e un frame di supporto in fibra di carbonio.

La modellizzazione del sistema necessaria alla progettazione non era però adeguata a garantire le prestazioni operative finali, invece richieste a causa dell’impossibilità di apportare modifiche una volta in orbita. I test sulle ottiche e sulla struttura sono stati particolarmente impegnativi a causa delle grandi dimensioni e per la necessità di simulare le condizioni ambientali operative dello spazio sulla Terra facendo uso di camere da vuoto con pompe meccaniche che generano vibrazioni significative per l’esecuzione di misure ottiche accurate.

Mentre il JWST era in fase di progettazione e venivano condotti i primi esperimenti per la prova di fattibilità, contemporaneamente erano in fase di sviluppo anche i primi strumenti commerciali di interferometria dinamica single-shot. L’adozione di tale tecnologia nel programma JWST e i requisiti unici del progetto hanno quindi accelerato lo sviluppo di questi interferometri.

4D Technology è stata coinvolta nel progetto JWST per quasi 20 anni ed ha fornito un importante contributo al successo della missione. La NASA ha ritenuto che i test completi di tutti i sistemi del telescopio fossero uno dei requisiti essenziali per il progetto al fine di garantire anni di scoperte scientifiche.

Molte delle esigenze metrologiche del JWST sono state affrontate con l'interferometria dinamica:

• Caratterizzazione dei segmenti dello specchio primario sia in condizioni ambientali che in vuoto criogenico
• Caratterizzazione dello specchio secondario convesso in condizioni di vuoto criogenico
• Analisi della stabilità termica della struttura di supporto in fibra di carbonio
• Test di resistenza e stabilità dei segmenti alle sollecitazioni dovute alle vibrazioni
• Verifica dell’allineamento dei singoli segmenti e del fronte d'onda del telescopio completo

High-speed interferometer on the test tower (left) measures segments of the JWST primary mirror at Goddard Space Flight Center

High-speed interferometer on the test tower (left) measures segments of the JWST primary mirror at Goddard Space Flight Center

L'interferometria dinamica ha e continuerà a svolgere un ruolo importante nella produzione di strumenti ottici all'avanguardia e in altre applicazioni per la produzione di precisione nel settore aerospaziale e dei semiconduttori, ottenendo misure con risoluzione a livello sub-nanometrico su scale temporali che vanno dai microsecondi per le analisi vibrazionali ai giorni per le analisi termiche.

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