Webb teleskopunun gelişimi simülasyon yazılımının iyileştirilmesine nasıl yol açtı?

James Webb Uzay Teleskobu, bilinmeyeni gerçek anlamda araştırıyor ve evrenin daha önce görülmemiş köşelerinin çarpıcı görüntülerini sergiliyor; bu görüntüler yalnızca teleskobun uzayda açılıp bir araya gelen 21 metrelik parçalı aynası sayesinde mümkün olabiliyor.

Uzaydaki en büyük teleskopu geliştirmek için gereken malzeme, tasarım ve süreçler üzerinde onlarca yıl süren testler yapıldı. Ancak projenin tamamı yerde, ölçekte, –400°F’de ve diğer uzay benzeri koşullarda test edilemeyecek kadar karmaşıktı.

Bunun yerine mühendisler, teleskobun farklı uzay koşulları altında nasıl davranacağını anlamak için yazılım simülasyonlarına güvendiler ve bu çalışma, entegre bilgisayar modelleme alanının tamamının ilerlemesine yardımcı oldu.

Ansys Zemax OpticStudio’yu donanım ve yazılım geliştirmek için kullanılan tasarım yazılım paketlerinden biri haline getiren Ansys, Inc.’de optik mühendisi olan Erin Elliott, “Her şeyi, tüm simülasyonu olabildiğince zorladık” dedi. Webb teleskopu.

Simülasyon teknolojisi, bilgi işlem gücündeki artışlar ve bulut hizmeti olarak tesis dışı bilgi işlem gücüne erişmenin yeni yolları nedeniyle son yirmi yılda önemli ölçüde gelişti. Ancak ek iyileştirmeler doğrudan Webb’in gelişimine dayanıyor.

Elliott, 2000’li yılların başından itibaren diğer NASA yüklenicileri için çalışırken Webb teleskopunu desteklemek için OpticStudio’yu kullandı ve 2015 yılında merkezi Canonsburg, Pensilvanya’da bulunan Zemax (daha sonra Ansys Zemax oldu) için çalışmaya başladı.

Elliott, ilk günlerde Zemax’ın Webb teleskopu çalışmaları için yazılımını değiştirdiğini söyledi. Teleskobun birincil aynasını oluşturan 18 altıgen parçaya atıfta bulunarak, “O zamanlar, bölümlerin koordinat sistemlerinin yönetimiyle ilgili olarak bizim için bazı özel değişiklikler yaptılar” dedi.

Elliott ayrıca Zemax yönetimiyle yazılımın diğer Microsoft Windows programlarıyla daha iyi iletişim kurması gerektiği konusunda defalarca konuştuğunu da hatırladı. Şirket, OpticStudio için paketin diğer programlarla çalışmasını sağlayan ve daha fazla özelleştirmeye olanak tanıyan bir API veya uygulama programlama arayüzü sundu. Elliott, bu teknolojiyi eklemek için pek çok neden olduğunu ancak Webb’in taleplerinin muhtemelen bunlar arasında önemli olduğunu söyledi.

Webb ve bilim enstrüman modülünün bir araya getirildiği NASA’nın Greenbelt, Maryland’deki Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nde optik mühendisi olan Joseph Howard, çeşitli modelleme paketlerinin kullanılmasının bu alanda yeniliği teşvik etmeye yardımcı olduğunu belirtti. “Sadece modellemeyi çapraz kontrol etmek için değil, aynı zamanda rekabet yoluyla birbirlerini daha iyi hale getirmeleri için size yardımcı olabilecek birden fazla yazılım şirketinin olması önemlidir” dedi.

Webb teleskopunun geliştirilmesi sırasında OpticStudio’da yapılan iyileştirmelere ek olarak Ansys Zemax, 2021’de Elliott’un NASA projesinde çalışırken edindiği bilgilerden yararlanan Yapısal, Termal, Analiz ve Sonuçlar (STAR) modülünü tanıttı.

Bir ayna veya mercek sıcaklık dalgalanmaları nedeniyle şekil değiştirdiğinde optikler hareket eder. OpticStudio modellemenin büyük bir kısmı daha küçük parçalar halinde tamamlandı; mühendisler bağımsız olarak bir termal simülasyon çalıştıracak ve bu verileri bir sonraki optik modele ekleyerek bir sonraki çalıştırma için daha fazla veri üretecekti.

STAR modülü, diğer simülasyon yazılımlarından gelen analizleri doğrudan OpticStudio optik modellerine dahil eder; bu, teleskop ve havacılık tasarımlarına uygulanabilecek bir verimliliktir. Bu özellik aynı zamanda otonom araçlar, cep telefonu lensleri ve zorlu ortamlarda çalışan diğer optikler için de giderek daha önemli hale geliyor.

Gelecekteki teleskoplar ve diğer uzay araçlarının Webb tasarımının unsurlarını içermesi muhtemeldir. Uzayda kendi kendine birleşmesi gereken segmentlerde daha fazlası seyahat edecek ve giderek daha karmaşık hale gelen robotik ve optiklerin gelişimi, gelişmiş modelleme yazılımına dayanacak.

Howard, “Webb’i inşa ettiğimizde, onu uçuştan önce yerde tam olarak test edemeyeceğimizi biliyorduk, bu nedenle uçuşa hazırlanmak için modellemeye ve analiz yapmaya büyük ölçüde güvendik” dedi. “Bir sonraki büyük gözlemevi modelleme yazılımına daha da bağımlı olacak.”

Bu arada, daha dünyevi teknolojilerin tasarımcıları, gelişmiş bir OpticStudio’nun faydalarını zaten görüyorlar; onu hassas endoskoplar tasarlamak için kullanıyorlar, kalabalıkta COVID-19’a maruz kalma durumlarını tespit etmek için bir termal görüntüleme cihazı, artırılmış gerçeklik ekranları ve kulaklıklar, nanosatellitler için bir lazer itici teknolojisi, ve elbette daha fazla teleskop.

Elliott ayrıca Webb teleskop projesinin, teleskopun teknolojik yan ürünlerini tasarlayan ve kullanan bir sonraki teleskop ve optik cihaz yapımcıları grubunu eğittiğini de belirtti.

“Hubble Uzay Teleskobu’nu inşa edenler Webb Teleskobu’na liderlik ediyorlardı” dedi. “Ve şimdi bu projede dişlerimizi kesen ve bundan ders alan genç mühendisler, bir sonraki yapıları inşa edecek grup haline geliyor.”

Elliott, projenin “bu kadar büyük bir genç mühendis grubunu eğitmek ve onları yüksek teknoloji alanlarına salmak için tek başına bile değdiğini” savunuyor.