Evropský hon na temnou hmotu: Termálně-vakuové zkoušky

Evropská kosmická agentura vydala na svém webu první díl seriálu, ve kterém pokryje přípravy a zkoušky strukturálně-testovacího (STM) i letového (FM) modelu družice Euclid. Pro nás to znamená, že podobně jako v případě seriálů Z Evropy ke Slunci (Solar Orbiter) nebo Evropský vědecký JUICE budeme tyto články překládat. Náš seriál dostal jméno Evropský hon na temnou hmotu, což v kostce vystihuje zaměření projektu Euclid. Tento infračervený teleskop má startovat v roce 2022 a vědci si od něj slibují zmapování geometrie vesmíru, což pomůže k lepšímu porozumění fenoménům jako je temná energie či temná hmota, které tvoří většinu vesmíru.

STM teleskopu Euclid v termálně-vakuové komoře.

STM teleskopu Euclid v termálně-vakuové komoře.
Zdroj: https://sci.esa.int

Gravitace temné hmoty, která tvoří většinu hmoty ve vesmíru, způsobuje drobná zkreslení snímků vzdálených galaxií, což popisuje jev gravitačních čoček. Ke zmapování rozložení temné hmoty ve vesmíru chtějí vědci použít měření zkreslení více než miliardy vzdálených galaxií. Takto smělý úkol může splnit pouze teleskop, který tyto galaxie dokáže vyfotit extrémně přesně. Euclid by měl být schopen získat snímky, které se již přibližují teoretickým limitům optických přístrojů. Jelikož bude v kosmickém prostoru, nebude jej trápit rozmlžení snímků vlivem chvění atmosféry a ani zemská gravitace nebude deformovat teleskop.

Testovací model teleskopu Euclid pro strukturální a termální zkoušky.

Testovací model teleskopu Euclid pro strukturální a termální zkoušky.
Zdroj: https://sci.esa.int

Jediným zdrojem zkreslení mohou být rozdíly teplot, se kterými souvisí tepelná roztažnost konstrukce. Když na různé části teleskopu dopadá různé množství slunečního záření, dochází k nerovnoměrnému ohřevu. Aby se účinky těchto změn a rozdílů minimalizovaly, vznikl model teleskopu, který má téměř identické strukturální a termální vlastnosti, kterými disponuje letový model, který se skutečně podívá do kosmického prostoru.

Strukturální a termální model STM byl v květnu sestaven do konfigurace, která silně připomíná letový exemplář. V září pak dokončil zkoušky tepelné stability, které proběhly v Cannes v zázemí firmy Thales Alenia Space. V celém dlouhém procesu, který vede ke schválení návrhu pro start jde o důležitý krok. některé části STM jsou identické s prvky na letovém modelu. U nich se počítá s tím, že po dokončení zkoušek budou zachovány jako záloha pro letový kus.

Ohromnou výhodou testovacího STM kusu je fakt, že jej inženýři nemusí šetřit. Při zkouškách tak může být vystaven ještě extrémnějším teplotám a mechanickému namáhání, než jaké zažije letový kus, který má díky tomu usnadněnou certifikaci. Co se zkoušek tepelné stability týče, měly za úkol prověřit, zda si tepelně mechanický návrh všech částí mise zachová potřebné vlastnosti i za teplot, které na něj čekají v kosmickém prostoru.

Testovací model teleskopu Euclid pro strukturální a termální zkoušky.

Testovací model teleskopu Euclid pro strukturální a termální zkoušky.
Zdroj: https://sci.esa.int

Data nasbíraná během zkoušky tepelné stability se použijí k jemnému doladění matematického tepelného modelu sondy. Jakmile dojde k této aktualizaci, bude tento model použit k přesnějším odhadům teplot všech částí teleskopu. Inženýři tak budou schopni zmapovat podmínky celého teleskopu jak globálně, tak i v detailu. Tento matematický termální model je velmi komplexní, jelikož vychází z velkého množství návrhových předpokladů.

Díky nedávnému dokončení zkoušek tepelné stability jsou tyto návrhové předpoklady prověřeny přímým měřením. To inženýrům umožňuje zjistit hodně věcí o teplotních vlastnostech STM. Mimořádně důležitá jsou data využitelná pro charakterizování izolačních vlastností několika vrstev, které mají udržovat stálou teplotu zařízení. Důležité jsou i znalosti chování částí pro odvod tepla – ať už jde o teplovodné trubice nebo o radiátory.

Během zkoušky byl STM umístěn do velké termálně-vakuové komory v Cannes. Černé stěny této komory jsou chlazené na kryogenní teploty, což simuluje chlad kosmického prostoru, ve kterých bude letový kus pracovat. Najdeme zde však i vytápěné desky, které nahrazují ohřev konstrukce slunečním zářením, které bude dopadat na část teleskopu.

Velikost teleskopu Euclid (zde neletový testovací STM kus) vynikne ve srovnání s lidskou postavou.

Velikost teleskopu Euclid (zde neletový testovací STM kus) vynikne ve srovnání s lidskou postavou.
Zdroj: https://sci.esa.int/

Během zkoušky se simulovala extrémní kombinace využívání přístrojů, orientace vůči Slunci a také intenzita slunečního záření, které přesahují parametry očekávané při skutečné misi. Během testů, které simulovaly různé scénáře, byly všechny důležité cesty, po kterých putuje teplo až k radiátorům, pečlivě sledovány. Data se sbírala ze 700 míst a ukládala se pro pozdější analýzy, simulace a prověření schopností udržet teplotní stabilitu v těchto podmínkách.

Strukturálně-termální model teleskopu Euclid.

Strukturálně-termální model teleskopu Euclid.
Zdroj: https://sci.esa.int

Návrh teleskopu Euclid by měl být velmi stabilní a schopný udržet chladné prostředí jak pro samotný teleskop, tak pro jeho přístroje. Nízkých teplot bude dosaženo pasivním chlazením společně s vhodným poměrem ohřívačů a radiátorů. Požadavky na teplotní stabilitu optického systému jsou extrémně přísné a musí být dodrženy za všech okolností včetně případů, kdy se teleskop orientuje na jinou oblast, což s sebou nese i jiné osvětlení jeho konstrukce.

Sečteno a podtrženo – za všech podmínek je maximální povolený rozdíl teplot v útrobách teleskopu jen v řádu několika tisícin kelvinů. Aby se mohla tato schopnost prověřit, byly provedeny hned dvě zkoušky dedikované přímo na kalibraci matematického modelu s dostatečnou přesností. Zkouška simulující přesné letové podmínky by přinesla teplotní rozdíly příliš malé na to, aby se daly spolehlivě dost přesně změřit. Místo toho bylo nalezeno náhradní řešení, které alternativně prověřilo, že matematický model dokáže dost přesně předvídat drobné změny teplot v celém systému.

Inženýři u testovacího modelu teleskopu Euclid pro strukturální a termální zkoušky.

Inženýři u testovacího modelu teleskopu Euclid pro strukturální a termální zkoušky.
Zdroj: https://sci.esa.int

Zkouška toho dosáhla tím, že zvětšila nerovnováhu teplot, čímž dosáhla větších rozdílů v teleskopu. Porovnání těchto změřených dat s předpovědí matematického modelu pak umožnilo určit jeho přesnost. Předběžné porovnání mezi měřeními ze zkoušky a výstupy z modelu naznačují, že by požadované úrovně tepelné stability mělo být dosaženo. Díky tomu si mohou inženýři pracující na návrhu teleskopu Euclid odškrtnout významný milník.

Na STM nyní čekají vibrační zkoušky, ale my bychom se měli alespoň v závěru článku zmínit i o letovém exempláři. Integrace a testování teleskopu i servisní části již začaly. Pracuje se na nich ve firmě Airbus ve francouzském Toulouse a v Thales Alenia Space v italském Turíně. Obě části by měly být spojeny v roce 2021 – kompletní družice pak podstoupí závěrečné zkoušky v rámci přípravy na start. Ten je zatím plánován na červen roku 2022 pomocí rakety Sojuz-2.1b s horním stupněm Fregat-MT. Pracovištěm teleskopu Euclid bude librační centrum L2 soustavy Slunce-Země.

Testovací model teleskopu Euclid pro strukturální a termální zkoušky.

Testovací model teleskopu Euclid pro strukturální a termální zkoušky.
Zdroj: https://sci.esa.int

Přeloženo z:
https://sci.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://sci.esa.int/documents/…/Euclid_STM_in_thermal-vacuum_chamber_Aug2019_2.jpg
https://sci.esa.int/documents/…/Euclid_STM_in_thermal-vacuum_chamber_Aug2019_1.jpg/
https://sci.esa.int/documents/…/Euclid_Structural_and_thermal_model_21090918_12.jpg
https://sci.esa.int/documents/…/Euclid_Structural_and_thermal_model_21090918_7.jpg
https://sci.esa.int/documents/…/Euclid_Structural_and_thermal_model_21090918_2.jpg
https://sci.esa.int/documents/…/Euclid_Structural_and_thermal_model_21090918_11.jpg/
https://sci.esa.int/documents/…/Euclid_Structural_and_thermal_model_21090918_1.jpg

Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

Prosím čekejte...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

7 komentářů ke článku “Evropský hon na temnou hmotu: Termálně-vakuové zkoušky”

  1. Ferda napsal:

    Muze prosim nekdo povolany popsat rozdily mezi misi Euclid a James Webb Space Telescope? Z meho pohledu se jedna svym zamerenim o velmi podobne teleskopy. Jak jsou na tom kdyz porovname jejich schopnosti?

    Oba teleskopy budou operovat pobliz L2, existuje riziko srazky? Jak je osetreno ze se nesrazi?

    • Dušan Majer napsal:

      Nevím, zda jsem povolaný, ale pokusím se o vysvětlení. JWST je stavěn jako víceúčelová vlajková loď astronomie příští dekády. Jeho úkoly sahají od sledování nejstarších (nejvzdálenějších) galaxií, přes vývoj hvězd, sledování exoplanet až po výzkum objektů ve Sluneční soustavě. Euclid bude mít mnohem užší zaměření.
      Riziko srážky v žádném případě nehrozí – už teď je v libračních centrech několik sond a vzdálenosti mezi nimi se počítají na desítky tisíc kilometrů.

    • Vojta napsal:

      Librační centrum je sice z matematického hlediska opravdu bodem, ale zároveň funguje jako virtuální gravitační centrum, kolem kterého mohou tělesa obíhat. Není to stejné jako kolem hmotného tělesa, gravitační pole tam má ke sférickému dost daleko, takže sondy obíhají namísto po elipsách po složitějších křivkách, ale funguje to v docela velké oblasti. V případě L2 soustavy Slunce-Země mnohokrát větší než nízká oběžná dráha Země. Navíc L2 je stabilní jen v jedné rovině, takže je třeba trocha paliva na udržení se v jeho okolí. Mrtvá sonda časem odpluje na heliocentrickou dráhu a nebude překážet jako mrtvé sondy na středních a vyšších oběžných drahách Země.

    • Jiný Honza napsal:

      Ano, jsou to velmi podobná zařízení. JWST má mnohem větší zrcadlo a mnohem větší spektrální rozsah směrem k dlouhým vlnovým délkám. Oba mají podobné šance potvrdit to, co astrofyzici očekávají.

      Objevit něco nového, něco co nikdo nečekal, tam má samozřejmě navrch JWST. Ovšem za mnohonásobek ceny a taky rizika neúspěchu.
      Riziko srážky okolo L2 samozřejmě existuje a je nenulové. Ale je velmi malé. Nevěřte novinářům. 🙂

  2. Racek napsal:

    Hon na temnou hmotu a energii… Existuje neco zajímavějšího ? Ale jo, je toho hodně, záleží na preferencích. Ale co vlastne tvoří 70% naseho vesmíru. Takze nic většího vlastne není…Každopádně, jsem moc zvědavý …

  3. gones napsal:

    Já jen doplním, že na letové verzi Euclidu (Flight model) se právě dokončila montáž všech komponent teleskopu, vyrobených ze SiC (karbid křemíku). Již začaly práce na doladění optických členů a kalibraci snímaného obrazu na obou vědeckých přístrojích.

    Děkuji za pěkný překlad článku.

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.