Les atouts du cerf-volant spatial JWST dans le froid

La lumière sera captée par un très grand miroir – 6,5 m de diamètre – et dirigée vers quatre instruments infrarouges très sensibles. Le télescope et les instruments seront maintenus en permanence à l’ombre d’un énorme bouclier solaire et maintenus à des températures extrêmement basses.
Inspecting JWST’s primary mirror. Inspection du miroir primaire du JWST. – Photo : ESA/NASA

[Courrendlin, December 21, 2021, rke. English below.]
Après mes 33 lancements sur site au pied des fusées, je suis toujours bloqué en Suisse en raison de la Covid-19, je dois publier mes news au pays. Le lancement du JWST est toujours prévu ce samedi 25 décembre à 13h20 (heure suisse) de Kourou en Guyane française. Le père Noël fera-t-il un cadeau aux astronomes ?

Photo du haut – Test du miroir : © ESA / NASA

Interview exclusive
avec Didier Manzoni
directeur de la division Espace d’APCO Technologies à Aigle

Leader européen du développement et de la fourniture de moyens sol (MGSE) pour satellites, instruments et lanceurs, APCO Technologies fournit également les parties hautes et basses des moteurs d’appoint d’Ariane 6. Mais l’entreprise vaudoise implantée à Aigle (Est de Lausanne) est également reconnue comme l’un des principaux partenaires industriels pour les sous-systèmes structures et thermiques de satellites.

Dans le froid sidéral, à 1,5 million de Km au point Lagrange 2, si loin de nous, le plus gros télescope spatial du monde, le James Webb Space Telescope (JWST) est muni d’un bouclier solaire composé de micro-feuilles.

Monsieur Manzoni, pourquoi le JWST est-il muni de feuilles superposées et espacées les unes aux autres ?
Le satellite Planck avait un système un peu similaire, mais avec des panneaux en composite alors que le JWST dispose de feuilles souples déployées. Ces feuilles protègent du soleil et isole d’une certaine manière le satellite qui fonctionne à très basse température, les instruments scientifiques comme MIRI et NIRSPEC travaillent à une température cryogénique et il est nécessaire de refroidir ces instruments.

Paradoxe : si loin du Soleil, le télescope doit encore se refroidir pour mieux capter la chaleur des autres étoiles lointaines

Alors, à quoi sert l’espace de quelques centimètres ?
Dans l’Espace, il n’y a pas d’air, entre chacune de ces feuilles, tous les échanges thermiques se font par conduction et radiation. Comme pour Planck, en ayant ce qu’on appelle des « chapeaux chinois », la température diminue progressivement jusqu’à parvenir à un niveau le plus bas possible, passivement. Puis, on va continuer à refroidir mais activement.

Et pourquoi 5 feuilles ?
Chacune de ces feuilles réduit la température, petit à petit. Par calcul et par essais, en prenant de la marge, on démontre que cinq feuilles sont finalement nécessaires.

Bon, des feuilles de bouclier solaire… mais il est bien loin le soleil !
Ces « boucliers solaires » ou « Sun Schild» sont orientés vers ce qu’on appelle le « Deep Space » ou l’espace profond à 4 Kelvins, car les échanges radiatifs sont bien meilleurs quand le satellite regarde le froid. Leur taille très vaste permet de bien concentrer leur efficacité et l’espace entre chacun de ces « chapeaux chinois » permet de réduire les échanges parasites. (à suivre…)

Que peut faire le Webb, que ne peut pas faire Hubble ?
La vision de Webb couvre de plus grandes longueurs d’onde de lumière que Hubble et il possède une sensibilité 100 fois supérieure, ce qui ouvre une nouvelle fenêtre sur l’Univers. Les plus grandes longueurs d’onde permettent aussi à Webb de voir à l’intérieur des épais nuages de gaz et de poussière où se forment les étoiles et les systèmes planétaires, de révéler la composition de l’atmosphère des exoplanètes de manière plus détaillée et de remonter plus loin dans le temps pour assister à la formation des premières galaxies, alors que l’Univers était encore jeune.

Explications :
Des feuilles d’aluminium aussi fines qu’un cheveu
Les feuilles du bouclier solaire fournissent une couche isolante pour l’optique et aident à dissiper la chaleur. Le bouclier comporte cinq couches et chacune d’elles est aussi fine qu’un cheveu humain (0,05 mm) et est recouvert d’aluminium pour la réflectivité. La couleur violette de certaines couches provient du silicium, le même matériau que celui utilisé dans la plupart des puces informatiques, qui renforce le bouclier et l’aide à réfléchir la chaleur. Le télescope utilise ce bouclier solaire pour ne pas être réchauffé par le rayonnement infrarouge du Soleil et d’autres objets célestes proches, ce qui nuirait au fonctionnement normal des instruments embarqués.Ce pare-soleil en forme de cerf-volant mesure 22 m sur 10 m et reçoit 300 KW du rayonnement solaire, mais ne transmet que 23 milliwatts de l’autre côté. En bref, le télescope doit être plus froid que les objets qu’il tente d’observer.

Voir plus loin avec quatre instruments de pointe
Le télescope spatial James Webb (Webb) est en passe de devenir le plus grand et le plus puissant télescope jamais lancé dans l’espace. Il emboîtera le pas du télescope spatial Hubble en constituant le prochain grand observatoire scientifique spatial, conçu pour répondre aux questions les plus essentielles sur l’Univers et faire des découvertes révolutionnaires dans tous les domaines de l’astronomie.
Le Webb révélera un Univers pour l’instant caché à nos yeux : des étoiles enveloppées dans des nuages de poussière, des molécules dans l’atmosphère d’autres mondes, et la lumière des premières étoiles et galaxies. Équipé de quatre instruments de pointe, le télescope Webb repoussera les limites de nos connaissances sur le système solaire, sur la formation des étoiles et des planètes, ainsi que sur la formation et l’évolution des galaxies.

  • Prochaines News :
    Le JWST sanglé sur son siège suisse
    Coordination zurichoise pour MIRI

The benefits of the JWST space kite in the deep cold (I)

This sunshield is the largest part of JWST and offers intense protection from the Sun, letting through less than a millionth of the Sun’s heat! This massive parasol is as long as a tennis court, but incredibly light. It is composed of five super-thin membranes that will separate and unfurl into a precise arrangement once the telescope is in space. During launch, this shield will be folded up like an umbrella to fit neatly around the telescope’s mirrors and other instruments within the Ariane 5 rocket fairing.
When unfurled, the sunshield will protect JWST’s ‘cold’ side, where very sensitive infrared instruments are located inside the Integrated Science Instruments Module, maintaining a thermally stable cold environment, around –233 ºC! – Photo : ESA/NASA

[Courrendlin, December 21, 2021, rke]
After my 33 launches on site at the foot of the rockets, I am still stuck in Switzerland because of Covid-19, I have to publish my news back home. The JWST launch is still scheduled this Saturday, December 25 at 13:20 (Swiss time) from Kourou in French Guyana.
– Inspecting JWST’s primary mirror : © ESA / NASA

Exclusive interview
with Didier Manzoni
Director of the Space Division of APCO Technologies
in Aigle (near Lausanne), West of Switzerland

Didier Manzoni.

APCO Technologies is the European leader in the development and supply of ground support systems (GSS) for satellites, instruments and launchers. It also supplies the upper and lower parts of the Ariane 6 boosters. But the Vaud-based company, located in Aigle (east of Lausanne), is also recognized as one of the main industrial partners for satellite structural and thermal subsystems.

In the sidereal cold, 1.5 million km away at the Lagrange 2 point, so far from us, the world’s largest space telescope, the James Webb Space Telescope (JWST), is equipped with a solar shield made of microsheets. Interview with Didier Manzoni, Director of the Space Division of APCO Technologies in Aigle.

Mr Manzoni, why is the JWST equipped with superimposed and spaced sheets?
The Planck satellite had a somewhat similar system, but with composite panels, whereas the JWST has flexible deployed sheets. These sheets protect from the sun and somehow insulate the satellite which operates at very low temperature, scientific instruments like MIRI and NIRSPEC work at cryogenic temperature and it is necessary to cool these instruments.

So, what is the space of a few centimeters?
In Space, there is no air, between each of these sheets, all heat exchange is done by conduction and radiation. As for Planck, by having what we call « Chinese hats », the temperature decreases gradually until it reaches the lowest possible level, passively. Then, we will continue to cool but actively.

And why 5 leaves?
Each of these leaves reduces the temperature, little by little. By calculation and testing, with some leeway, we show that five sheets are finally necessary.

Well, solar shield sheets… but the sun is far away!
These « sun shields » or « Sun Schild » are oriented towards the so-called « Deep Space » or deep space at 4 Kelvin, because the radiative exchanges are much better when the satellite looks at the cold. Their very large size allows to concentrate their efficiency and the space between each of these « Chinese hats » allows to reduce the parasitic exchanges.
(To be followed)

Details:
Aluminum sheets as thin as a hair
The foils of the solar shield provide an insulating layer for the optics and help dissipate heat. The shield has five layers and each layer is as thin as a human hair (0.05 mm) and is coated with aluminum for reflectivity. The purple color of some layers comes from silicon, the same material used in most computer chips, which strengthens the shield and helps it reflect heat. The telescope uses this solar shield to prevent it from being heated by infrared radiation from the Sun and other nearby celestial objects, which would interfere with the normal operation of the onboard instruments.This kite-shaped sunshield measures 22 m by 10 m and receives 300 KW of solar radiation, but transmits only 23 milliwatts on the other side. In short, the telescope must be cooler than the objects it is trying to observe.

Seeing further with four state-of-the-art instruments
The James Webb Space Telescope (Webb) is poised to become the largest and most powerful telescope ever launched into space. It will follow in the footsteps of the Hubble Space Telescope as the next great space science observatory, designed to answer the most critical questions about the Universe and make groundbreaking discoveries in all fields of astronomy.
The Webb will reveal a Universe that is currently hidden from our eyes: stars wrapped in dust clouds, molecules in the atmosphere of other worlds, and the light of the first stars and galaxies. Equipped with four state-of-the-art instruments, the Webb telescope will push the limits of our knowledge about the solar system, the formation of stars and planets, and the formation and evolution of galaxies.

This archival image was taken in February 2021 and shows the James Webb Space Telescope’s sunshield being folded and packed by engineers and technicians at Northrop Grumman. Read more about this in our April 2021 milestone feature, excerpted below.
 Engineers working on NASA’s James Webb Space Telescope have successfully folded and packed its sunshield for its upcoming million-mile (roughly 1.5 million kilometer) journey, which begins later this year. The sunshield — a five-layer, diamond-shaped structure the size of a tennis court — was specially engineered to fold up around the two sides of the telescope and fit within the confines of its launch vehicle, the Ariane 5 rocket. Now that folding has been completed at Northrop Grumman in Redondo Beach, California, the sunshield will remain in this compact form through launch and the first few days the observatory will spend in space. -Photo : ESA/NASA

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