Jak otáčíme teleskopem Jamese Weba a proč to jde bez trysek

Drahý Time,

v minulém díle jsem řešili, jak je možné, aby vesmír byl plný upírů a mi je neviděli. Je to kvůli tomu, že vampíři nejsou vidět v zrcadle a všechny naše výkonné dalekohledy v sobě mají nějaké to zrcadlo a to jako naprosto kritikou část. Vlastně jsme původně řešili, proč zrcadlo obrací levá-pravá a ne také spodek a vršek. Ale tomu se dneska nechci věnovat, protože tu máme jeden opravdu špičkový kus lidské techniky, Vesmírný teleskop Jamese Weba, v textu budeme dále používat anglickou zkratku JWST (James Web Space Telescope).

Tento dalekohled je provozován v místě, kde je vyloučena nějaká servisní mise, opravit, co se pokazilo, dotankovat palivo. A tak je na něm spousta vychytávek, které prodlužují jeho životnost. Ve své podstatě je to nástupce dnes už stařičkého Hubleova vesmírného teleskopu (zkráceně HST), který ale na rozdíl od JWST krouží na nízké zemské orbitě. Tento 36 let starý teleskop má za sebou velmi dlouhou řadu objevů. A také celkem 5 servisních misí, bez nichž by už dávno přestal fungovat. Bohužel, HST je úzce svázán s dnes již ukončeným programem raketoplánů a tak se v dohledné době žádná další oprava neplánuje. Poslední, co rozvířilo vody, byl návrh SpaceX, že svým Crew Dragonem pošťouchne HST na vyšší orbitu a prodlouží mu tak život, ale z toho zatím sešlo.

Samotný princip fungování HST a JWST je velmi podobný. JHSTsou to oba teleskopy s parabolickým zrcadlem. Parabola má tu vlastnost, že paprsky světla rovnoběžné s optickou osou soustřeďuje do svého ohniska. Dovolím si přiložit obrázek z minulého článku, ať je jasné, o čem se bavíme.

Rozdíl mezi nimi je ve velikosti a ve spektru, ve kterém provádějí pozorování.HST má zrcadlo o průměru 2,4 m z jednoho kusu, Web oproti tomu má průměr 6,6 m a zrcadlo se skládá z osmnácti šestiúhelníkových segmentů. Hubble je navržen pro pozorování ve viditelném spektru s malým přesahem na obě strany, JWST je primárně pro infračervenou oblast. Další rozdíl je v umístění a způsobu pozorování. Huble obíhá kolem Země jednou za 95 minut, takže se může stát, že mu jeho cíl zmizí ze zorného pole přístrojů. Potom musí opět navázat na přerušené pozorování, zatímco JWST si v klidu obíhá kolem Slunce v místě L2 (druhý Lagrangeův bod, místo, kde se vyvažuje gravitační působení Země a Slunce), daleko od Země, daleko od Měsíce, takže ho nic neruší a na místo, na které se zaměří, může cílit bez přestání i řadu dní.

Jinak oba robotické dalekohledy fungují podobně. Když chtějí něco pozorovat, natočí tím směrem celý přístroj a pomocí Fine Guidance Sensors (FGS) se zaměří na takzvané vodící hvězdy a tak v podstatě v případě HST můžou navázat na přerušené pozorování s přesností na pixely.

A teď se dostáváme k tomu nejzajímavějšímu, k fyzikální vychytávce, která umožňuje hýbat celým teleskopem a přitom nepálit raketové palivo. Za vším je zákon zachování energie, promítnutý do třetího Newtonova zákona - zákon zachování hybnosti - tedy jde o akci a reakci. Abych byl přesný, jde o zachování momentu hybnosti.

Uvnitř teleskopu jsou tři páry takzvaných reakčních kol. Jsou to ve své podstatě velké setrvačníky, poháněné elektřinou, které je díky solárnímu napájení vždycky dost. Web konkrétně používá šestici kol Rockwell Collins Deutschland (Teldix) RDR-68, uspořádaných v pyramidě. Nejsou tedy orientována jednoduše kolmo na sebe. Díky jejich šikmému uspořádání může každé kolo přispívat k otáčení teleskopu kolem více prostorových os.

A jak to tedy funguje? Podobně jako zákon akce a reakce u rakety, kdy vysoká rychlost poměrně lehkých plynů na trysce se postupně promění ve vysokou rychlost rakety, změna hybnosti spalin je opačná ke změně hybnosti rakety. U rotačního pohybu jde o moment hybnosti. Platí, že celkový moment hybnosti soustavy JWST a jeho reakčních kole je konstantní. Pokud tedy přidáme na rotaci v reakčním kole, změníme moment hybnosti kola a aby se nezměnil celkový moment hybnosti, musí se teleskop natočit opačným směrem a vykompenzovat to. Takže stačí zvýšit nebo snížit počet otáček v reakčních kolech a Web se poslušně natáčí, jak je potřeba.

K tomu, aby se dalo měřit, jak rychle a jakým směrem se teleskop otáčí, slouží jiné gyroskopy. Ty měří zrychlení na dané ose a poskytují zpětnou vazbu, jestli je potřeba ještě roztáčet nebo brzdit reakční kola. Po „hrubém“ natočení na správný směr se do akce zapojí FGS a navedou JWST pomocí pozorování vodících hvězd velmi přesně na požadovaný směr.

Na stejném principu funguje řízení i HST. Jenomže díky jeho stáří ze šesti gyroskopů dnes fungují jenom tři a pro delší životnost se NASA rozhodla používat pouze jeden. Co ale Hubble nemá a JWST to potřebuje? Jde o kompenzaci tlaku Slunečního záření. Ten je sice nepatrný, ale stálý. Web se přes přímým zářením ze Slunce chrání štítem v podobě odrazné fólie z Kaptonu potaženého hliníkem o celkové ploše zhruba 300 čtverečných metrů. Čas od času je potřeba tento tlak kompenzovat. To může být tím, že reakční kola přidají na otáčkách. Jenomže maximální povolená hodnota je 6000 za minutu. Takže když kola narazí na svůj limit, musí se zapnout trysky a nežádoucí pohyb kompenzovat, aby reakční kola mohla snížit svoje otáčky na přijatelnou úroveň.

Takže bohužel, jednou raketové palivo dojde a teleskop přestane fungovat, můžeme jenom doufat, že to bude za dlouhou, opravdu dlouhou dobu, protože objevy učiněné díky JWST přepisují naše znalosti o vesmíru.

Vážený čtenáři, děkuji Vám za Vaši pozornost, kterou jste věnovali mému článku. Snad jste se dozvěděli něco nového, co Vás zaujalo. Chtěl bych Vás teď poprosit o příspěvek, který mi pomůže pokračovat v práci na druhém dílu, tentokrát pod názvem: Tim se zase ptá: Proč a jak funguje vesmír. Bez Vás ta kniha nevznikne :)