Magnetická funkčnost JWS teleskopu i díky českým vědcům

pondělí, 29 listopad 2021 14:55

Někdy kolem 18. prosince, neboť mise se často odkládají dle počasí, hodlá NASA na oběžnou dráhu Slunce – několikrát dále než je oběžná dráha Měsíce – vypustit nový vesmírný dalekohled, James Web Space Telescope (JWST). Za jeho magnetickou funkčnost zodpovídali odborníci z Univerzity Karlovy: Günther Kletetschka z Přírodovědecké fakulty UK a Vilém Mikula, absolvent Matematicko-fyzikální fakulty UK.

L2 renderingNa rozdíl od Hubbleova teleskopu, který Zemi obíhá před Měsícem, by měl být JWS teleskop umístěn až daleko za oběžnou drahou Měsíce, v místě na obrázku označeném L2. Pořizovat snímky vesmírných těles, a pomáhat tak prohlubovat poznatky o vesmíru bude z místa bez rušivých atmosférických a radiových interferencí, prost „šumu“ ze Země. Dozvědět se podrobnosti o přelomovém zařízení se magazín Forum vydal za Güntherem Kletetschkou, který v agentuře NASA pobýval v rámci postdoku od roku 1998 do 2001 a pak jako takzvaný univerzitní kontraktor (v letech 2001 až 2010).

V čem je nový JWS teleskop tak průlomový?

Současné vesmírné dalekohledy mají detektory, které nedokážou prohlédnout skrz konec optického vesmíru, neumějí se podívat do infračerveného spektra, které vypovídá o nejrannějších strukturách vesmíru. jk kruh upNaše detektory jim to umožní a opravdu se do tohoto nejrannějšího vesmíru podívají! Je to vlastně jako s fotoaparátem, mobilem, kdy sledujeme nějaký objekt v dálce. V teleskopu vidíme – dejme tomu – dvě stě galaxií, přičemž každá z nich má jiný spektrální podpis, vypovídající o jejich stáří. Protože kosmologové chtějí získat co nejvíce informací o každé galaxii zvlášť, bylo třeba vymyslet, jak odstínit vliv všech ostatních galaxií, kromě jedné.

Předpokládám, že to byla právě vaše práce, se kterou jste se v rámci vedení magnetického týmu v NASA potýkal…

Podařilo se nám vynalézt a zkonstruovat unikátní systém magnetického otevírání mnoha tisíců mikro-závěrek. Pomohu si příkladem: představme si klasickou závěrku o velikosti zhruba pět krát pět centimetrů, rozdělenou padesáti tisícovkami miniaturních dvířek, co se variabilně otevírají a zavírají. Vlastně jde o jakousi síť uzavíratelných okýnek. Šlo o to, aby se v daný okamžik otevřely jen ty závěrky, okénka, kde sledovaná galaxie je, aby do pozorovaného prostoru „nelezlo“ jiné spektrum. A to bylo gró práce našeho týmu.

Představte nám, prosím, členy svého „magnetického“ týmu.

Na začátku jsem byl sám. To bylo v roce 2003, kdy jsem získal jako člen týmu své první dvouleté financování na téma Magnetické vlastnosti uzavíratelných okének Jamesova teleskopu. V roce 2004 jsem se stal hlavním řešitelem dalších dvou dvouletých grantů Testování funkčnosti za vesmírných teplot Testování životaschopnosti, v hodnotě kolem deseti milionů korun a práce přibývalo. Zaobíral jsem se myšlenkou na využití magnetického dipólu (běžný permanentní magnet se severním a jižním pólem - pozn. red.).

Výsledky vypadaly velmi slibně, ale kus práce – včetně nezbytného testování – bylo ještě třeba provést. Proto jsem oslovil kamaráda z Matfyzu, Viléma Mikulu, pro kterého byla práce v NASA splněním životního snu. Do týmu jsme přibrali ještě japonskou specialistku na detailní práci v superčistém bezprašném prostředí, Tomoko Adači, která zrovna pracovala na diplomce na univerzitě v Arizoně. Náš tým obdržel pokračující financování ze tří grantů Testování přilnavosti okének, Pokusy o otevírání okének bez magnetu pomocí elektrostatického pole Vlastnosti permanentních magnetů za nízkých teplot, v souhrnu na šest let. Poslední financování se mi podařilo pro tým získat v roce 2009 na inspekci komponentů pro vesmír.

A čím jsou vaše závěrky vlastně jedinečné?

schema2Mikro-závěrky se skládají z mnoha vrstveného unikátního materiálu, vyrábí se speciálním postupem. Jelikož jsou součástí velkého rovinného objektu (schéma vpravo), musejí být opatřeny magnetem. Ten nesmí narušit dokonale rovnou plochu, ale od roviny mikročipu závěrek se musel pohybovat ve vzdálenosti kolem 0,2 milimetru. Bez uzardění říkám, že z hlediska konstruktéra šlo o neproveditelnou záležitost. Tedy až do našeho vynálezu!

Opravdu se nám podařilo zkonstruovat dipól umožňující otevírání a uzavírání závěrek podle potřeby, a to v desetkrát větší bezpečné vzdálenosti kolem dvou milimetrů od čipu s mikro-závěrkami. Brzy se ale ukázalo, že magnetické pole dipólu magnetu dvířka (okénka) – byť nepatrně – otevírá i v „parkovací“ (klidové) poloze, čímž umožňuje světlu vniknout i tam, kde jsme ho mít rozhodně nechtěli. Nezbývalo, než přemýšlet dál.

testování magnetů mikrozávěrky

Testování magnetů (vlevo), mikro-závěrky (vpravo) 

Sáhli jste po čtyřpólovém magnetu.

Přesně tak. Ukázalo se, že čtyřpólový magnet je naprosto ideální pro splnění všech požadavků: pořád byl v bezpečné vzdálenosti od mikro-závěrek a navíc je i v „parkovací“ pozici nechával uzavřené. S tímto vynálezem jsme se do projektu konstrukce nového vesmírného dalekohledu – JWST – napevno zapojili.

O rok později jsme pak začali testovat prototypy nového zařízení. Měli jsme prověřit, zda zařízení s mikro-závěrkou vydrží, i když jej otevřeme třeba desettisíckrát nebo milionkrát… Dvířka jsou totiž umístěna na tenkém silikonovém pásku, který se neustále ohýbá. Nebezpečí se skrývá v elektrostatickém poli, které drží dvířka otevřená, i v případném nahodilém zkratu, jenž může mezi dvířky přeskočit. Výsledkem testů je třeba tento obrázek:

JWST lev

Vznikl po 68 tisících otevření a zavření. Ze snímku je patrné, že některé mikro-závěrky se neotevřely, a proto zůstal snímek v jejich místě černý. (Zde najdete další informace o James Web Space Telescope, kdy byl microshutterový systém naprogramován do tvaru loga NASA a českého lva.) 

Ideální stav nastává, když padesát procent závěrek je otevřených, za těchto podmínek detektory v dalekohledu prochází dostatek světla a objekt je možné dobře pozorovat. Tehdy má zařízení nejlepší účinnost. A tady skvěle pomohla matematika: díky Hadamardovu algoritmu (francouzský matematik a univerzitní profesor Jacques Hadamard žil v letech 1865-1963 – pozn. red.) se dá vypočítat, jaké je jedinečné spektrum získané z otevření jedněch konkrétních dvířek.

Proč jste se rozhodli zařízení testovat zrovna na lvovi z českého státního znaku? Existuje snad ve vzdáleném vesmíru podobné uskupení galaxií?

(s úsměvem) To proto, že v té době do NASA zavítal tehdejší prezident Václav Klaus. NASA se chtěla pochlubit, že jeho lidé z České republiky spolupracují na unikátním vesmírném projektu, a tak se závěrka Jamese Webova teleskopu naprogramovala do tvaru loga NASA a českého dvojocasého lva.

Z té doby se datuje rovněž vznik modelu, jak by ve skutečnosti měl vypadat. Na snímku je jen část lidí, kteří se podíleli na výrobě mikro-závěrek. Tady si můžeme uvědomit, jak velký tým se na práci kolem vesmírného dalekohledu podílel a kolik vědeckých poznatků a sil se do projektu investovalo:

people jwst
Foto: NASA

Vraťme se, prosím, ještě k „vesmírnému“ magnetu. To asi nebude totožný materiál, který známe, že?

Jde o slitinu neodymia, železa a boru, jednotlivé komponenty jsou při výrobě zastoupeny v práškové podobě a společně jsou slisovány a následně ohřívány a ochlazovány. IMG 7436 upPole, ve kterém je materiál ochlazován, určuje sílu finálního magnetu. Bylo na nás proto nejprve zjistit, jak se bude magnet chovat ve vesmíru, tedy při teplotě kolem třiceti Kelvinů (odpovídá -243,15 stupně Celsia; Celsiova stupnice má počátek v 0 °C, což odpovídá 273,15 K – pozn. red.). Když se ukázalo, že už při padesáti Kelvinech začalo pole vytvořeného magnetu klesat, sáhli jsme po jiném materiálu. Tím ideálním se ukázalo býti praseodymium, s ním všechny naše problémy odpadly (na obrázku vpravo dva vzorky magnetu v rukou vědce).

Co nového by nám mohl JWST přinést, co může odhalit?

Pořád ještě nevíme, jak fungují černé díry, jak vznikala naše galaxie, jestli existuje i jiný než náš vesmír. Vesmír nám k odhalení nabízí ještě spoustu záhad!  Představuju si to tak, že se jednou člověk podívá hodně daleko do vesmíru a řekne si: „Jo, tak tady ty galaxie jsou hodně staré – vytvářely se před třinácti miliardami let –, a tyto jsou zase mladé…“ Člověk přece touží, dostat se k počátku života na zemi a zjistit platnost všech dosud známých teorií a jak to bylo s Velkým třeskem. Téměř denně vznikají nové kosmologické názory, jak vše mohlo fungovat. Podívat se na „staré“ světlo, které je hodně daleko, to nás posune dál…

Veškerá očekávání se tedy teď upínají k prosincovému datu letošního roku.

Ano, všichni jsou teď napjatí, jak to dopadne, co se stane. I proto, že původně měl být projekt uskutečněn už v roce 2014. Tehdy byl odsunut na rok 2018, ale pro technické problémy s dalekohledem ani napodruhé neproběhl. Je z mého pohledu fajn vědět, že lidé jsou společně nedočkaví a těší se, co nového nám nové objevy vesmírného prostoru přinesou. Nedovedeme si ani představit, na kolik dolarů vývoj a realizace nového teleskopu přišla. Podle mého šlo o jeden z nejnáročnějších projektů, jaký byl v NASA uskutečněn.

Než se dalekohled „zavěsí“ na oběžnou dráhu do mimozemského prostoru – odhaduji – bude trvat zhruba týden.stažený soubor Další čas zabere manipulace, vždyť je to obří zařízení. Takže na konci roku bychom mohli znát první výsledky a vidět první zprostředkované snímky dosud nejvzdálenějších objektů. Raketa, která zařízení JWST do vesmíru vynese, bude evropská. Měla by to být Ariane 5 (uzavírá „Gin“ s napětím v hlase).

ariane5 jwst 879x485
Foto: ESA - D. Ducros

Autor:
Foto: Wikipedia, NASA, ESA, Marcela Uhlíková

Sdílejte článek: