NASAのジェイムズ・ウェッブ望遠鏡は太陽から守るために超薄型のシールドを展開している

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) は、地球から約 93 万マイル (150 万キロメートル) 離れた新しい拠点に華々しく登場し、梱包を解く作業に忙しくしている。JWST は、かすかな遠方の物体を赤外線で観測するが、熱も赤外線として伝わるため、JWST は非常に微妙な温度条件下で動作する必要がある。

「他の熱源を持つことはできません」とNASAのエンジニア、ジェームズ・クーパー氏は言う。「そうすると、得ようとしている科学研究が台無しになってしまうのです。」

望遠鏡の鏡と機器は、窒素が凍るほどの低温である約-370°F（-223°C）以下に保つ必要がある。太陽光線と、JWSTの中央コンピュータと通信装置を収容する宇宙船バスによって、望遠鏡とその機器が熱帯の気温である230°F（110°C）まで熱せられる可能性があるため、これは容易な作業ではない。

幸いなことに、JWST には独自の冷却装置が搭載されています。開発者はこれをサンシールドと呼んでいます。凧のような形をしており、テニスコートほどの大きさで、厚さ 1 ミリメートル未満の層でできている JWST のサンシールドは、望遠鏡の温度を数百度下げることができます。

そのサンシールドを機能させるのは、長くて困難な作業でした。クーパー氏は 12 年以上にわたってサンシールドの開発をリードし、この構造物が機能するために乗り越えてきた多くの試練と苦難を見てきました。

JWST の計画には数十年かかり、設計者たちは開発プロセスの早い段階、つまりクーパー氏が参加する前から、サンシールドが必要だとわかっていた。サンシールドを作るために、設計者たちはいくつかのプラスチックのような素材を検討し、最終的にカプトンと呼ばれる素材に落ち着いた。

カプトンは新しい素材ではなく、その熱特性が非常に冷たいものを冷たく保つのに優れているため、極低温技術の世界では主流の素材です。さらに、クーパー氏によると、カプトンは「ほとんどの類似の[素材]よりも丈夫で、簡単に破れず、宇宙環境にも耐えます」。

JWST はカプトンが宇宙に飛び立つ初めての機会ではない。カプトンが使われたのはアポロ月着陸船のエンジンを断熱するためで、人類は文字通り月中にカプトンを撒き散らした。月着陸船は宇宙飛行士が打ち上げられて帰還の旅を始める際にカプトンを吹き飛ばす傾向があった。ニール・アームストロングは、アポロ 11 号が月面から上昇したとき、カプトンが「かなり遠くまで周囲に散らばっている」のが見えたと回想している。

最近では、ニューホライズンズは地球から出発し、太陽系の極寒の外縁部にある冥王星とカロンを通過する際に、温度を安定に保つためにカプトンを使用した。  

JWST のサンシールドは、それぞれが人間の髪の毛ほどの厚さの 5 層のカプトンでできています。層は真空の隙間で区切られており、シールド全体に熱が伝導するのを防いでいます。

各層はアルミニウムでコーティングされており、太陽に最も近い 2 つの層もドープされたシリコンでコーティングされています。これらの金属は、サンシールドの反射率を高めるだけでなく、電気伝導性も向上させ、シート内部に静電気が蓄積するのを防ぎます。

さらに、各層の端を揃え、各層をぴんと張って平らにする必要がありました。シールドの中央に熱がこもらないように、間隔を均等にする必要がありました。

サンシールドを組み立てる段階になると、NASA チームは別のハードルに直面しました。「カプトンは 4 フィート幅のセクションで提供され、大体 70 フィート x 45 フィートのサンシールドが必要です」とクーパー氏は言います。「そのため、それを縫い合わせる必要がありました。」

彼らは基本的に端を溶かして、破れを防ぐために「リップストップ」として追加のストリップを追加することでこれを実現しました。たとえ一箇所が破れたとしても、リップストップが問題を隔離し、サンシールドの残りの部分は計画通りに機能します。少なくともデザイナーはそう願っています。

サンシールドを組み立てるのは、課題の半分に過ぎなかった。クリスマスの日にフランス領ギアナから打ち上げられたアリアン5ロケットに望遠鏡を収めるためには、サンシールドを折り畳んでピンで固定する必要があった。それはパズルだった。シールドは折り畳んだ状態では固定され、広げた状態では作動する必要があり、しかも繊細な素材に損傷を与えないようにする必要があった。

「最終的には 25、30 層の膜になります。ピンを通せるように [ピン] 穴がすべて一列に並んでいますが、折りたたむたびに一列に並んでいなければなりません」とクーパー氏は言います。「そのためのツールの開発は大変な課題でした。展開時にこれらの穴を一列に並べることができず、太陽光が直接差し込んでしまうからです。」

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彼らは、サンシールドを解放するシステムを完璧にする必要があった。シールドを展開するには、107 個の異なる解放装置が必要である。これらの装置の 1 つでも故障すると、望遠鏡全体が危険にさらされる。また、NASA のエンジニアは、シールドをまとめているテザーが誤って切れてシールドをかすめないようにする必要があった。「そのため、ケーブルが通る可能性のある場所を探すのに多大な労力を費やさなければなりませんでした」とクーパーは言う。そして、彼らはこれらすべてを地上でテストする必要があり、望遠鏡のシールドが実際に展開される微小重力から離れた場所でテストする必要があった。

しかし、今では、それらはすべて過去のものとなった。打ち上げは今のところ順調に進んでおり、実際、想定よりはるかに少ない燃料しか使用しなかった。NASAは、これによって観測所の寿命が何年も延びると予測している。火曜日、JWSTは太陽シールドの展開を開始した。計画通りに進めば、1月3日まで慎重に冷却装甲を展開し続けることになる。