Det er forbløffende at tro, at der er teleskoper op i rummet lige nu, der dirigerer deres blik på fjerne objekter i timer, dage og endda uger. Tilvejebringelse af et synspunkt, der er så stabilt og præcist, at vi kan lære detaljer om galakser, eksoplaneter og mere.
Og så, når tiden er inde, kan rumfartøjet flytte sit blik i en anden retning. Alt uden brug af brændstof.
Det hele skyldes teknologien til reaktionshjul og gyroskoper. Lad os tale om, hvordan de fungerer, hvordan de er forskellige, og hvordan deres fiasko har afsluttet missioner i fortiden.
Her er det hurtige svar. Reaktionshjul tillader rumfartøjer at ændre deres retning i rummet, mens gyroskoper holder et teleskop utroligt stabilt, så de kan pege på et mål med stor nøjagtighed.
Hvis du har lyttet til nok episoder med Astronomy Cast, ved du, at jeg altid klager over reaktionshjul. Det ser altid ud til at være pointet med fiasko ved missioner, hvor man afslutter dem for tidligt, inden videnskaben er inde.
Jeg har sandsynligvis brugt udtrykkene reaktionshjul og gyroskoper ombytteligt i fortiden, men de tjener lidt forskellige formål.
Lad os først tale om reaktionshjul. Dette er en type svinghjul, der bruges til at ændre retningen på et rumfartøj. Tænk på et rumteleskop, der skal skifte fra mål til mål, eller et rumfartøj, der skal vende sig tilbage til Jorden for at kommunikere data.
De er også kendt som momentum-hjul.
Der er ingen luftmodstand i rummet. Når et hjul drejer i en retning, drejer hele teleskopet i den modsatte retning takket være Newtons tredje lov - du ved, for hver handling er der en lige og modsat reaktion. Med hjul, der spinder i alle tre retninger, kan du dreje teleskopet i en hvilken som helst retning.
Hjulene er fastgjort på plads og roterer mellem 1.000 og 4.000 omdrejninger pr. Minut, hvilket opbygger vinkelmoment i rumfartøjet. For at ændre rumfartøjets retning ændrer de hastigheden, hvormed hjulene roterer.
Dette skaber et drejningsmoment, der får rumfartøjet til at skifte sin orientering eller prcess i en valgt retning.
Denne teknologi fungerer kun med elektricitet, hvilket betyder, at du ikke behøver at bruge drivmiddel til at ændre retningen af teleskopet. Så længe du har fået nok rotorer, kan du fortsætte med at ændre din retning ved kun at bruge strømmen fra solen.
Reaktionshjul bruges på stort set alle rumfartøjer derude, fra bittesmå cubesats til Hubble-rumteleskopet.
Med tre hjul kan du ændre din orientering til ethvert sted i 3-dimensioner. Men Planetetary Society's LightSail 2 har kun et enkelt momentumhjul til at skifte orientering af sit solsejl, fra kant til solen og derefter bredde for at hæve sin bane med sollys alene.
Vi er selvfølgelig mest kendt med reaktionshjul på grund af de tidspunkter, de har mislykkedes, idet rumfartøjet er taget i brug. Opgaver som FUSE og JAXAs Hayabusa.
Keplers tab af reaktionshjul og den geniale løsning
Mest berømt er NASAs Kepler-rumteleskop, der blev lanceret den 9. marts 2009 for at finde planeter, der kredser om andre stjerner. Kepler var udstyret med 4 reaktionshjul. Tre var nødvendige for at holde teleskopet forsigtigt rettet mod et område med himmel og derefter en reserve.
Det så for enhver stjerne i sit synsfelt at ændre sig i lysstyrke med en faktor på 1 ud 10.000, hvilket indikerede, at en planet kunne passere foran. For at spare båndbredde transmitterede Kepler faktisk kun oplysninger om ændringen i lysstyrken for selve stjernene.
I juli 2012 mislykkedes et af Keplers fire reaktionshjul. Den havde stadig tre, hvilket var det minimum, det var nødvendigt for at være i stand til at være stabilt nok til at fortsætte sine observationer. Og derefter i maj 2013 annoncerede NASA, at Kepler havde en fiasko med et andet af sine hjul. Så det var nede på to.
Dette bragte Keplers vigtigste videnskabelige operationer til ophør. Med kun to hjul i drift kunne det ikke længere opretholde sin position nøjagtigt nok til at spore stjernens lysstyrke ..
Selvom missionen kunne have været en fiasko, regnede ingeniører ud en genial strategi ved hjælp af lystrykket fra solen til at fungere som en kraft i en akse. Ved perfekt at afbalancere rumfartøjet i sollyset var de i stand til at fortsætte med at bruge de to andre reaktionshjul til at fortsætte med at foretage observationer.
Men Kepler blev tvunget til at se på det lille sted på himlen, der tilfældigvis stemte overens med sin nye orientering, og flyttede sin videnskabsmission til at lede efter planeter, der kredsede om røde dværgstjerner. Den brugte sit ombordgående drivmiddel tilbage til Jorden for at transmittere data. Kepler løb slut slut på brændstof den 30. oktober 2018, og NASA indsamlede sin mission.
På samme tid, som Kepler kæmpede med sine reaktionshjul, havde NASAs Dawn-mission problemer med nøjagtigt de samme reaktionshjul.
Dawn's tab af reaktionshjul
Dawn blev lanceret den 27. september 2007 med det mål at udforske de to af de største asteroider i solsystemet: Vesta og Ceres. Rumfartøjet gik i kredsløb omkring Vesta i juli 2011 og tilbragte det næste år med at studere og kortlægge verden.
Det skulle forlade Vesta og køre til Ceres i august 2012, men afgangen blev forsinket med mere end en måned på grund af problemer med dens reaktionshjul. Fra 2010 opdagede ingeniører mere og mere friktion i et af dets hjul, så rumfartøjet skiftede til de tre fungerende hjul.
Og så i 2012 begyndte det andet af dets hjul også at få friktion, og rumfartøjet havde kun to resterende hjul. Ikke nok til at holde det fuldt orienteret i rummet ved hjælp af elektricitet alene. Dette betød, at det var nødt til at begynde at bruge sit hydrazin-drivmiddel for at opretholde sin orientering gennem resten af sin mission.
Dawn kom til Ceres, og gennem omhyggelig brug af drivmiddel var det i stand til at kortlægge denne verden og dens bizarre overfladefunktioner. Endelig i slutningen af 2018 var rumfartøjet ude af drivmiddel, og det var ikke længere i stand til at opretholde sin orientering, kortlægge Ceres eller sende sine signaler tilbage til Jorden.
Rumfartøjet fortsætter med at bane rundt Ceres og tumle hjælpeløst.
Der er en lang liste med missioner, hvis reaktionshjul mislykkedes. Og nu tror forskere, de ved hvorfor. Der blev frigivet et papir i 2017, der bestemte, at miljøets plads i sig selv forårsager problemet. Når geomagnetiske storme passerer rumfartøjet, genererer de ladninger på reaktionshjulene, der medfører en stigning i friktion og får dem til at slides hurtigere.
Jeg vil sætte et link til en fantastisk video af Scott Manley, der går nærmere ind på.
Hubble-rumteleskop og dets gyroskoper
Hubble-rumteleskopet er udstyret med reaktionshjul til at ændre dets samlede orientering og roterer hele teleskopet omkring hastigheden på et minutshånd på et ur - 90 grader på 15 minutter.
Men for at forblive rettet mod et enkelt mål bruger den en anden teknologi: gyroskoper.
Der er 6 gyroskoper på Hubble, der roterer med 19.200 omdrejninger pr. Minut. De er store, massive og drejer så hurtigt, at deres inerti modstår enhver ændring af teleskopets retning. Det fungerer bedst med tre - der matcher pladsens tre dimensioner - men kan fungere med to eller endda en med mindre nøjagtige resultater.
I august 2005 blev Hubbles gyroskoper slidt ned, og NASA skiftede til to-gyroskoptilstand. I 2009, under Servicing Mission 4, besøgte NASA-astronauter rumteleskopet og erstattede alle seks af dens gyroskoper.
Dette er sandsynligvis den sidste gang, astronauter nogensinde besøger Hubble, og dens fremtid afhænger af, hvor længe disse gyroskoper varer.
Hvad med James Webb?
Jeg ved, at den blotte omtale af James Webb-rumteleskopet gør alle nervøse. Mere end 8 milliarder dollars er investeret indtil videre og skal lanceres om cirka to år fra nu. Det kommer til at flyve til Earth-Sun L2 Lagrange punkt, der ligger omkring 1,5 millioner kilometer væk fra Jorden.
I modsætning til Hubble er der ingen måde at flyve ud af James Webb for at reparere det, hvis noget går galt. Og når man ser hvor ofte gyroskoper har fejlet, ser det virkelig ud som et farligt svag punkt. Hvad hvis James Webbs gyroer mislykkes? Hvordan kan vi erstatte dem.
James Webb har reaktionshjul ombord. De er bygget af Rockwell Collins Deutschland, og de ligner reaktionshjulene ombord på NASAs Chandra, EOS Aqua og Aura-missioner - så en anden teknologi end de mislykkede reaktionshjul på Dawn og Kepler. Aura-missionen frygter i 2016, da et af dets reaktionshjul drejede ned, men det blev gendannet efter ti dage.
James Webb bruger ikke mekaniske gyroskoper som Hubble for at holde det i mål. I stedet bruger den en anden teknologi, der kaldes halvkugleformede resonatorgyroer eller HRG'er.
Disse bruger en kvartshalvkugle, der er udformet meget præcist, så den resonerer på en meget forudsigelig måde. Halvkuglen er omgivet af elektroder, der driver resonansen, men registrerer også eventuelle små ændringer i dens orientering.
Jeg kender den slags lyde som gibberish, ligesom den er drevet af enhjørndrømme, men du kan opleve det selv.
Hold et vinglas, og klik derefter på det med din finger, så det ringer. Ringingen er vinglaset, der bøjes frem og tilbage ved sin resonansfrekvens. Når du roterer glasset, drejes bøjningen frem og tilbage også, men det hænger bag orienteringen på en meget forudsigelig måde.
Når disse svingninger sker tusinder af gange i sekundet i en kvartsskrystall, er det muligt at registrere små bevægelser og derefter redegøre for dem.
Sådan forbliver James Webb låst på sine mål.
Denne teknologi er flyttet til Cassini-missionen i Saturn og fungeret perfekt. Fra juni 2011 havde NASA faktisk rapporteret, at disse instrumenter havde oplevet 18 millioner timers kontinuerlig drift i rummet på mere end 125 forskellige rumfartøjer uden en enkelt fiasko. Det er faktisk meget pålideligt.
Jeg håber, at det rydder op. Reaktions- eller farthjul bruges til at orientere rumfartøjer i rummet, så de kan vende i forskellige retninger uden at bruge drivmiddel.
Gyroskoper bruges til at holde et rumteleskop nøjagtigt rettet mod et mål for at give de bedste videnskabelige data. De kan være mekaniske spindehjul, eller de bruger resonansen af vibrerende krystaller til at opdage ændringer i inerti.
