Büyük uzay teleskoplarının maliyetlerini nasıl azaltabiliriz?

Hepimiz James Webb Uzay Teleskobu’nun başarısının tadını çıkarıyoruz. En güçlü teleskopumuz olarak sözünü yerine getiriyor, beklediğimiz ve umduğumuz her türlü keşfi gerçekleştiriyor. Ancak JWST’nin hikayesi, bozulan bütçelerden, tekrarlanan daha fazla zaman ve para taleplerinden ve neredeyse iptallerden ibaret.

Uzay teleskoplarını daha ucuz hale getirebilir miyiz?

JWST’nin görevine henüz bir yıl kaldı ve şimdiden bir sonraki uzay teleskoplarını bekliyoruz. NASA halihazırda Nancy Grace Roma Uzay Teleskobu’nu (eski adıyla WFIRST) ve Habitable Worlds Gözlemevi’ni (eski adıyla LUVOIR) sırasıyla 2027’de ve 2030’ların sonlarında fırlatmayı planlıyor ve geliştiriyor.

Bu uzay teleskopları muhtemelen son derece pahalı olacaktır. Ancak bir araştırma ekibi, uzay teleskoplarının maliyetini düşürmenin yolları olduğunu düşünüyor. “Büyük uzay teleskoplarının maliyetini düşürmeye yönelik yaklaşımlar” başlıklı düşüncelerini sunan bir makale yazdılar. Baş yazar, Arizona Üniversitesi Steward Gözlemevi’nde Astronomi alanında Yardımcı Doçent olan Ewan Douglas’tır. Makalelerini Ağustos ayında SPIE Optics + Photonics 2023 konferansında sundular. Şu adreste mevcuttur: arXiv ön baskı sunucusu.

Büyük uzay teleskoplarının bilimsel mantığına şüphe yok. Başka hiçbir şekilde elde edilmesi mümkün olmayan sonuçlar sunarlar. Ayrıca masraflarının ve NASA’nın bütçesini tükettiğine de şüphe yok. Hiçbir zaman yer tabanlı teleskoplardan daha ucuz olamazlar, ancak yer tabanlı teleskoplar uzay teleskoplarının yapabildiği performansı gösteremez.

Hiç kimse güçlü uzay teleskoplarından kaynaklanan bilimsel ilerlemeden vazgeçmek istemez. Ancak çok pahalı oldukları yönündeki eleştirilere karşı koymak zor. Douglas ve ortak yazarlarının, maliyeti daha kabul edilebilir hale getirirken uzay teleskoplarıyla yeni keşifler üretmeye nasıl devam edebileceğimiz konusunda bazı fikirleri var.

Makaleleri, uzayda oda sıcaklığında çalışan varsayımsal 6,5 m’lik ayna optik ışığa odaklanıyor. 6,5 metre, JWST’nin aynasıyla aynı boyuttadır. Bazı teknolojilerin nasıl daha ucuz hale geldiğini, en son teknolojilerden bazılarının artık neredeyse kullanıma hazır olduğunu ve SpaceX’in Starship’i gibi uzay araçlarının, James Webb’inki gibi karmaşık, pahalı aynalar oluşturmadan daha büyük ana aynalara sahip teleskopları nasıl fırlatabileceğimiz anlamına geldiğini gösteriyorlar. .

Yer tabanlı teleskopların maliyetlerinde 1980’den sonra belirgin bir düşüş görüldü ve araştırmacılar aynı şeyin uzay teleskoplarında da olabileceğini söylüyor. “Dolayısıyla, optik, ticari elektronik ve SpaceX StarShip ile ilgili önceki araştırmaların sağladığı araştırma ve yeni ölçek ekonomileri, uzay astronomisi üzerinde benzer bir etkiye sahip olabilir ve çok sayıda büyük gözlemevinin maliyetini NewSpace projeksiyonları ile yer-yer gözlemleri arasındaki rejime indirebilir. tabanlı gözlemevleri” diye yazıyorlar. (Görmek Yeni Uzay bu linkte.)

Fırlatma yetenekleri maliyetlerde kritik bir rol oynamaktadır. Sadece roket fırlatma masrafı değil, aynı zamanda teleskobun ana aynasının boyutunun kısıtlanması. JWST’nin ana aynası, Ariane 5’in yük kaplamasına sığacak şekilde katlandı. Bu, konumuna giderken açılan karmaşık, pahalı ve riskli bir aynaya ihtiyacı olduğu anlamına geliyordu. Fırlatma kısıtlamaları görev için önemli bir mali yük oluşturuyordu.

Ancak SpaceX’in Starship’inin 6,5 metrelik bir aynayı tek parça halinde yükleyebilmesi gerekiyor. “SpaceX Starship’in kaportası, 6,5 m’lik JWST sınıfı bir teleskopun doğrudan monolitik bir aynayla fırlatılması potansiyeline sahip, bu da parçalı ayna tasarımlarının maliyetini ve karmaşıklığını ortadan kaldırıyor” diye yazıyorlar. Eğer bu güvenilir olabilirse, 6,5 ayna tasarımı birden fazla teleskopta kullanılabilir. 6,5 metrelik bir ayna inşa etmenin maliyetinin büyük kısmı birincil optik malzemededir ve petek borosilikat aynalar nispeten ucuzdur. Böylece her aynayı özel olarak tasarlayıp inşa etmek yerine bir tür ölçek ekonomisine ulaşabiliriz.

Yazarlar, neredeyse bu amaca uyan standart bir 6,5 metrelik aynanın bulunduğunu söylüyor: “… sahada kanıtlanmış Richard F. Caris Ayna Laboratuvarı 6,5 m hafif ağırlıklı borosilikat petek aynası, değişiklik yapılmadan.” Petekler diğer katı muadilleriyle aynı avantajlara sahiptir ancak daha hafiftir ve önemli ölçüde daha büyük olabilir. Borosilikat cam, termal genleşmeye dirençli olması, düşük sıcaklıklarda kalıplanabilmesi ve nispeten ucuz olması nedeniyle kullanılır. Karşılaştırma için JWST’nin aynası berilyumdan yapılmıştır ve ince bir altın tabakasıyla kaplanmıştır.

Bir uzay teleskopundaki borosilikat ayna, uyarlanabilir optik gerektirir. Ancak bu, yer tabanlı teleskopların kendini kanıtlama alanı olduğu başka bir alandır. Uyarlanabilir optik ve dalga cephesi kontrolü teknolojisi giderek daha iyi hale geliyor ve 6,5 metrelik bir uzay teleskopuna uyarlanabiliyor. Daha yeni ve daha hızlı CMOS sensörleri, görüntü yakalamak için daha az zamana ihtiyaç duydukları ve aynı zamanda büyüyüp ucuzladıkları için görüntü bozulmasını da ortadan kaldırmaya yardımcı olur.

Dünya yüzeyinin aksine, uzay herkes için radyasyon içermeyen bir ortamdır. Elektroniklerin ve yazılımın da bu ortamda çalışabilmesi gerekir. Yazarlar, “Tarihsel olarak amaca yönelik olarak tasarlanmış uçuş bilgisayarları, montaj dilini çalıştırıyordu ve maliyetli ve niş yazılım geliştirme becerileri gerektiriyordu” diye yazıyor. Ama bu değişiyor. Ticari kullanıma hazır (COTS) elektronikler artık uzay görevlerinde uygulanıyor ve yaygın işletim sistemleri de öyle. Örneğin, Mars Ingenuity Helicopter Linux’ta çalışıyor ve bazı wavefront kontrol sistemleri de CubeSats’ta çalışıyor.

JWST işini yapmak için sun-Earth L2’de oturuyor. Güçlü IR sensörlerinin etkili olabilmesi için termal olarak kararlı bir ortamda olması gerekir. Ancak teleskobu oraya götürmek daha pahalıya mal oluyor ve verilerini iletmek için daha fazla güç gerekiyor. Douglas ve meslektaşları, en azından optik teleskoplar için TESS tarafından kullanılan başka bir seçeneğin daha olduğunu söylüyor.

TESS, Yüksek Dünya Yörüngesinde (HEO) 13,7 günlük bir dönemdedir. Oraya ulaşmak için Ay’ın yerçekimi desteğini kullandı ve bu da fırlatma maliyetlerinin düşürülmesine yardımcı oldu. “TESS HEO yörüngesi, nispeten düşük Delta V için termal olarak kararlı, düşük radyasyonlu bir ortamda geniş, sürekli bir gökyüzü kapsama alanı sağlar, uzay gözlemevleri için itme ihtiyaçlarını azaltır ve aynı verici gücü için L2 yörüngelerine göre potansiyel veri aşağı bağlantısını artırır.” TESS’in yörüngesi, itici güce gerek kalmadan onlarca yıl veya daha uzun süre sabit kalmalıdır.

Teleskop tasarımındaki bazı gelişmeler doğrudan teknolojiyi içermese de maliyetleri düşürür. Tasarım süreçlerinde yaşanan önemli gelişmeler, prosedürleri kolaylaştırdı ve zamandan tasarruf sağlayarak maliyetleri azalttı. Makalede, “Geçtiğimiz birkaç on yılda, sürüm kontrolü, proje yönetimi, test tabanlı tasarım ve sürekli entegrasyon ve dağıtım ile yazılım geliştirme süreçlerindeki ilerlemeler, giderek daha karmaşık hale gelen yazılımların geliştirme hızını artırdı” ifadesine yer veriliyor.

Doküman yönetimi çoğumuz için çok fazla heyecan uyandırmayabilir, ancak teleskop tasarım sürecinin iyileştirme ve düşük maliyetlerden fayda sağlayabilecek kritik bir parçasının bir örneğidir. Bir uzay teleskobunu tasarlamak, inşa etmek ve fırlatmak, uzmanlık becerilerine sahip binlerce kişinin onlarca yılını alır. Kolaylaştırılmış iletişim yöntemleri maliyetlerin düşürülmesine yardımcı olabilir. Yazarlar, makine tarafından okunabilen belgeler ve hataları azaltmak için açık kaynaklı JSON dosya formatı ve şemalarının kullanılması gibi örneklerden bahsediyor. Maliyetlerin düşürülmesine yardımcı olmak için değişiklik takibi ve belgelerin otomatik dağıtımı bile iyileştirilebilir. “Bu araçlar, öğrenilen dersler doğal olarak yakalandığı için yinelemeli, prototip ağırlıklı tasarım sürecini daha uygulanabilir hale getiriyor” diye açıklıyorlar.

Ana hatlarını çizdikleri değişikliklerin bazıları SmallSats, CubeSats’ta ve bazı durumlarda Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu gibi daha büyük projelerde zaten kullanıldı. Aslında SmallSats, bilimden ödün vermeden maliyetleri nasıl düşürebileceğimize dair cesaret verici bir bakış sunuyor.

Yazarlar bunun konuya bir ön bakış olduğunu ve gelecekteki makalelerin daha da derinlere ineceğini söylese de, makalede daha fazla teknik ayrıntıya giriliyor. Ancak bütçeleri hızla artırmadan astronomi ve astrofizik alanında ilerlemeye devam edebileceğimiz bir yol olduğunu gösterdiler.

“Gelecekteki çalışmalar böyle bir gözlemevinin nasıl ortaya çıkabileceğine dair ayrıntıları, ek risk azaltma stratejilerini, ayrıntılı cihaz tasarımlarını sağlayacak ve bal peteği borosilikat aynasının fırlatılışında hayatta kalması için gerekli çevresel gereksinimleri sunacak.”