Los futuros telescopios espaciales se están diseñando para que su mantenimiento sea más fácil, centrándose en superar desafíos como ubicaciones remotas y combustible limitado. El nuevo enfoque incluye operaciones seguras a corta distancia y una planificación eficiente de trayectorias, lo que podría extender la vida útil de misiones existentes como James Webb y Gaia.
Los telescopios espaciales son cada vez más sostenibles gracias a nuevos diseños centrados en la mantenibilidad. Los investigadores se inspiraron en misiones como el telescopio espacial James Webb y Gaia de la ESA para desarrollar planes de mantenimiento para futuros observatorios espaciales.
"Aunque la próxima generación de grandes telescopios espaciales está diseñada teniendo en cuenta la mantenibilidad, aún quedan importantes desafíos durante su implementación", explicó Siegfried Eggl, profesor de ingeniería aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Un desafío importante es la distancia. El telescopio moderno está ubicado en el punto L2 de Lagrange Sol-Tierra, a aproximadamente un millón de millas de la Tierra. Si bien este lugar se mueve en sincronía con la Tierra, lo que hace que sea más fácil llegar a él, el transporte de materiales requiere mucho tiempo y es costoso debido a la distancia. A pesar de estos desafíos, el punto Lagrangiano L2 proporciona un ambiente tranquilo y sin distracciones que mejora en gran medida el impacto de misiones como Gaia, y Egger cree que el esfuerzo vale la pena.
"Gaia es como un cilindro giratorio con paneles solares", dijo Egger. "Está encapsulado para que no esté dañado, pero después de una década deambulando afuera, se está quedando sin combustible. Luttwik-Bomena ideó un concepto novedoso que agrega una araña. "Gaia será desmantelada pronto, por lo que no habrá tiempo suficiente para tener acceso a ella, pero James Webb aún puede tener una oportunidad, y dado que seguirá operativa durante algunos años, es posible que decidan extender su misión".
Explicó que los espejos del Telescopio James Webb son espejos segmentados sin blindaje, algunos de los cuales han resultado dañados al ser golpeados por micrometeoritos. El diámetro total del espejo de JWST es de 6 metros. El próximo gran telescopio tendrá el doble de tamaño.
"Estamos tratando de mantenernos a la vanguardia para poder reemplazar los espejos rotos, etc. de manera planificada. Si no lo hacemos, es como comprar un auto deportivo caro y tirarlo a la basura cuando se queda sin gasolina".
Otra área de trabajo de Bomena es el trabajo cercano y seguro.
"Las naves espaciales enviadas para reparar o repostar un telescopio deben frenarse al llegar", dijo Bomena. "Usar propulsores para reducir la velocidad es como apuntar con un soplete a un telescopio. No conviene hacerle eso a una estructura delicada como el espejo de un telescopio. ¿Cómo podemos hacerlo sin quemar todo el espejo?"
Robyn Woollands, también profesora de ingeniería aeroespacial en la Universidad de Illinois, dijo que uno de sus principales objetivos con este trabajo es encontrar una trayectoria para llegar allí de forma económica sin depender de cohetes grandes y costosos.
"Afortunadamente, llegar allí es factible gracias a algunas autopistas ocultas en el sistema solar. Tenemos una trayectoria óptima para el tamaño de la nave espacial necesaria para reparar el JWST", dijo.
El estudiante de doctorado Alex Pascarella ha desarrollado una nueva técnica que muestrea rápidamente el espacio de la solución, reduciendo así el tiempo de cálculo. "La novedad es que combinamos dos enfoques diferentes para el diseño de trayectorias: la teoría de sistemas dinámicos y la teoría del control óptimo", dijo.
Los enfoques tradicionales para el diseño de órbitas en sistemas de múltiples cuerpos, como el sistema Sol-Tierra, se basan en calcular la variedad invariante de la órbita: la variedad es el camino en el espacio que naturalmente lleva a una nave espacial a una órbita determinada. Este es un gran enfoque que se ha utilizado con éxito durante décadas tanto en investigación académica como en aplicaciones prácticas.
"Cuando intentas encontrarte con una nave espacial objetivo en una ubicación específica en el espacio/tiempo, en lugar de alcanzar una órbita objetivo, y estás tratando con una nave espacial de bajo empuje que tiene sus motores funcionando durante mucho tiempo, a diferencia de una nave espacial con un propulsor más potente que tiene sus motores funcionando durante un corto tiempo, se vuelve un poco desafiante. "Nuestra técnica se basa en una idea ligeramente diferente", dijo Pascarella: "Primero estudiamos el espacio de la solución propagando muestras de la solución. - ya sea sin ningún empuje o usando una ley de control de empuje muy simple - y luego notamos qué tan cerca están de nuestro destino deseado".
Añade que debido a que el tipo de órbita que están tratando de lograr crea múltiples, saben que al menos algunas de las conjeturas iniciales estarán cerca de la órbita ideal: "Después de mapear la solución inicial, utilizamos la teoría de control óptimo para generar trayectorias óptimas de extremo a extremo. El control óptimo nos permite encontrar trayectorias que comienzan cerca de la Tierra y se encuentran con nuestro telescopio espacial en el menor tiempo posible. El muestreo inicial del espacio de solución es fundamental: los problemas de control óptimo son notoriamente difíciles de resolver, por lo que necesitamos una adecuada suposición inicial."
El plan para reparar/alimentar a Gaia es un diseño completo que puede implementarse, mientras que el telescopio James Webb requerirá más ingeniería, dijo Egger.
Compilado de /ScitechDaily