Адам Хадгазі з Aerospace America розбирається, як просувається робота над HWO і чому агентство обрало нову стратегію.
Якщо все піде за планом, приблизно за двадцять років біля точки Лагранжа L2 стоятиме новий телескоп NASA. З цієї гравітаційно стабільної орбіти за півтора мільйона кілометрів від Землі Habitable Worlds Observatory по кілька годин поспіль стежитиме за далекими екзопланетами, збираючи тисячі фотонів, відбитих газами їхніх атмосфер.
Що він шукає? Відповідь на одне з найбільших питань про те, що лежить за межами нашої Сонячної системи.
«„Чи ми самотні?“ – найамбітніше питання, за яке будь-коли бралася будь-яка місія, і обсерваторія, здатна на нього відповісти, теж мусить бути амбітною та потужною», – каже Бреанн Ситарскі, заступниця головної архітекторки HWO в Центрі космічних польотів імені Ґоддарда NASA в Мериленді.
HWO (абревіатуру вимовляють як англійське «who», а коротко місію називають Hab Worlds) – перша в історії NASA місія, повністю присвячена пошуку ознак життя на планетах поза Сонячною системою. Запуск запланований на 2040-ві роки, і телескоп стане величезним технологічним стрибком одразу в кількох напрямах – настільки великим, що NASA довелося переосмислити сам підхід до розробки флагманських місій.
За конструкцією HWO має стати найстабільнішим космічним апаратом, який будь-коли будували: приблизно в 100 разів стабільнішим за космічний телескоп «Джеймс Вебб», а його приладова частина під час спостережень не повинна хитатися більш ніж на ширину атома водню. Щоб розгледіти землеподібні світи у сліпучому сяйві їхніх зір, HWO потрібен коронограф, який послаблює світло зорі в 10 мільярдів разів, – ще один стрибок на два порядки порівняно з найкращими сучасними приладами. Нарешті, розробники місії хочуть закласти можливість обслуговувати телескоп роботизованими апаратами аж біля L2 – а це зовсім не те, що найпростіше обслуговування, доступне сьогодні в зоні геостаціонарних і геосинхронних орбіт за 35 000 км від Землі.
Щоб розвинути нинішні обмежені версії цих технологій до суворих вимог HWO, у січні NASA уклало трирічні контракти з фіксованою ціною із сімома компаніями. Суми окремих контрактів агентство не розкрило, але Конгрес схвалив 150 мільйонів доларів на розробку HWO у 2026 фінансовому році.
Хоча роботи ще багато, учасники проєкту кажуть, що дивляться на перспективи місії з оптимізмом.
«Це наш перший шанс безпосередньо шукати життя, бо ми живемо в час, коли, як нам здається, технологічно вже знаємо, як це зробити», – каже Євгенія Школьник, професорка астрофізики Університету штату Аризона та співголова Команди наукової спільноти та приладів HWO (CSIT), яка забезпечує молоду місію науковою експертизою. – Це дивовижна можливість, якої людство ще ніколи не мало».
Нові підходи до керування програмою
В Огляді десятиліття з астрономії та астрофізики 2020 року астрономи назвали HWO найпріоритетнішою великою місією для своєї спільноти й оцінили її бюджет в 11 мільярдів доларів. Той самий звіт закликав розробляти телескоп обережніше, ніж «Вебб», який перевищив початковий кошторис в 1 мільярд доларів приблизно вдесятеро і полетів на десятиліття пізніше від графіка.
Тож із HWO NASA діє на випередження: заздалегідь виділяє додатковий час і гроші ще до того, як затвердити конструкцію й перейти до виготовлення.
«Багато в чому йдеться про те, щоб технології були готові, тобто щоб іще до того, як розпочати спринт із місією, ви вже переконалися, що здатні її виконати, – сказала журналістам на квітневій пресконференції Нікола Фокс, керівниця Директорату наукових місій NASA. – Тому з Habitable Worlds ми зараз дуже зосереджені на доведенні технологій до зрілості».
За словами Ситарскі, на нинішній етапі попереднього формулювання місії NASA також спирається на дослідницькі аналітичні сценарії: наукові цілі зіставляють з інженерними параметрами, щоб точніше налаштувати моделювання «віртуального телескопа», розрахунки й оцінку архітектури.
«Це нова парадигма, на яку ми в попередніх флагманських місіях по-справжньому не зважали», – каже вона.
Підрядники агентства цей зсув помітили й охоче його підтримали.
«Ми вчимося на досвіді „Вебба“: не варто запускати програму й чекати, що станеться диво», – каже Елісон Нордт, директорка з космічної науки та приладобудування компанії Lockheed Martin, яка отримала один із контрактів на розробку.
Серед причин затримок «Вебба», за словами Нордт, яка 16 років була головною інженеркою його камери ближнього інфрачервоного діапазону, – те, що на розробку десяти критичних технологій, необхідних для місії, пішло більше часу, ніж очікували. Серед них були розгортуваний багатошаровий сонцезахисний екран, легкі берилієві дзеркала та кріогенні детектори. Проєкт перейшов до конструювання й виробництва раніше, ніж ці технології остаточно «визріли», і по ходу довелося вимушено переробляти конструкцію та боротися з виробничими дефектами.
Натомість стратегія для HWO – «спершу десять років розвивати технології й добре їх фінансувати ще до того, як з’явиться ціла армія людей, що будуватиме льотну обсерваторію», каже Нордт.
Перші контракти на дослідження агентство уклало 2024 року, тож перехід до виробництва навряд чи почнеться раніше середини 2030-х.
Ще одна відмінність – менше обмежень з боку ракет-носіїв. Очікується, що HWO буде щонайменше такого ж розміру, як «Вебб», зі складаним головним дзеркалом діаметром не менше 6 метрів – можливо, аж до 8 метрів. Конструкцію «Вебба» обмежував 5-метровий обтічник найновіших на той час важких ракет. Відтоді з’явилися нові носії, зокрема Starship від SpaceX та New Glenn від Blue Origin, із ширшими обтічниками й більшою вантажопідйомністю.
У випадку «Вебба» «запаси були обмежені, як і можливість реагувати на проблеми», – каже Метт Болкар, головний технолог HWO в Центрі Ґоддарда NASA. А з HWO «ми можемо закласти більший запас за масою та об’ємом і забезпечити собі більше гнучкості на майбутнє».
Замість одного генерального підрядника, як це часто бувало з «Веббом» та іншими великими місіями, Нордт сподівається, що після нинішнього етапу розробки NASA обере для HWO інтегрованіший підхід із кількома підрядниками, який заохочуватиме і конкуренцію, і командну роботу. «Гадаю, це парадигма, якої ще не було в жодній обсерваторії чи місії NASA: спроба вибудувати таку спільну співпрацю», – каже вона.
Стабільність нового рівня
Головна наукова мета HWO – знайти й дослідити до 25 землеподібних планет, що обертаються навколо схожих на Сонце зір на відстані приблизно 15–30 світлових років від Землі. Крім того, телескоп працюватиме як обсерваторія загального призначення, продовжуючи справу космічного телескопа «Габбл», «Вебба» та космічного телескопа Ненсі Грейс Роман, запуск якого заплановано на кінець цього року, і поглиблюватиме знання в астрофізиці, космології та планетології.
Щоб полювати на екзопланети, HWO мусить точно тримати оптичне юстування, фокус і наведення, попри неминучі теплові й механічні збурення від власних систем. Головне дзеркало (як і у «Вебба», сегментоване), вторинне дзеркало, опорні конструкції та коронограф – усе це потребує активних систем керування й датчиків, що працюватимуть із небаченою досі пікометровою точністю (трильйонні частки метра). Це в 1000 разів точніше за нанометрове керування «Вебба».
Як висловилася Нордт, «вимога номер один для Hab Worlds – стабільність, стабільність і ще раз стабільність».
Lockheed Martin – один із підрядників, які вивчають, як цього досягти. Для дзеркала, каже Нордт, компанія використовує свої напрацювання для Space Interferometry Mission – проєкту NASA, скасованого 2010 року. Для того апарата інженери Lockheed розробили лазерну метрологію на фотонних інтегральних схемах для вимірювання сегментів дзеркала. Ця технологія досі на передньому краї, і, на думку інженерів, тепер вона може допомогти HWO досягти потрібних вимог.
Партнер Lockheed – L3Harris Technologies, яка через своїх попередників і дочірні компанії давно співпрацює з NASA над дзеркалами й оптикою для «Габбла», «Вебба» та Roman.
«Ми робимо очі для цих систем NASA», – каже Чарльз Кларксон, віцепрезидент і генеральний менеджер напряму космічної переваги та зображень у L3Harris. Компанія планує збудувати в Центрі Ґоддарда випробувальний стенд, щоб аналізувати теплову стабільність можливих дзеркал HWO, експериментувати з розміщенням давачів для точного вимірювання положення дзеркал і налаштовувати актуатори, які їх рухатимуть.
Щодо покриттів дзеркал, NASA уклало контракт з іллінойською компанією ZeCoat на розробку довговічних великоформатних тонких плівок, які максимально відбиватимуть світло з довжиною хвилі 100–2500 нанометрів – від ближнього ультрафіолету через видимий діапазон до ближнього інфрачервоного. (ZeCoat не відповіла на кілька запитів про коментар.)
Для надзвичайно стабільного наведення NASA оцінює технологію мікродвигунів. Агентство уклало контракт із Busek – масачусетською компанією, що виробляє двигуни для космічних апаратів. Вона постачала мікродвигуни для місії LISA Pathfinder 2015 року, яка відпрацьовувала технології для майбутньої космічної реєстрації надзвичайно слабких гравітаційних хвиль. Колоїдні мікроньютонні двигуни, що вперше полетіли на тому апараті, мали максимальну тягу 30 мікроньютонів – це вага комара – і були потрібні, щоб протидіяти таким силам, як невпинний тиск сонячного світла.
Ці двигуни працюють за принципом електророзпилення: на краплі іонної рідини подається електричний заряд, після чого електричне поле розганяє їх і викидає назовні, створюючи точну слабку тягу. Така техніка втримує супутник у заданому положенні з точністю до «товщини нитки ДНК», і це «безпосередньо застосовно до HWO», – каже Пітер Грубі, віцепрезидент Busek з бізнесу та стратегії.
За контрактом HWO компанія Busek удосконалює свої мікродвигуни, щоб ті довше служили, мали більше резервування й краще піддавалися обслуговуванню, розповідає Грубі.
Якщо говорити про архітектуру апарата загалом, то план полягає в тому, щоб якомога більше ізолювати приладовий відсік від решти обсерваторії, де розташовані сонячні панелі, зв’язок, рушійна установка та інші вузли, що створюють тепло й механічні збурення.
Для цього Lockheed Martin розробила те, що вона називає «корисним навантаженням без збурень». Цей безконтактний метод спирається на так звані звукокотушкові актуатори – по суті, котушку дроту, яка заходить усередину циліндра з потужного магніту. Ці два елементи насправді не торкаються одне одного й закріплені навпроти. Коли через котушку в магнітному полі тече струм, виникає сила, що дає змогу керувати одним ступенем свободи. Шість котушок у конфігурації гексапода забезпечують повне керування за тангажем, нишпоренням і креном, а отже, й активне керування, яке тримає приладову частину нерухомою під час сеансів спостережень.
«Апарат може вібрувати як завгодно, а телескоп над ним стоятиме як скеля, – каже Нордт. – „Танцюй собі скільки влізе, апарате, а я робитиму своє й дивитимуся точно на ту зорю“».
Єдиним, що з’єднуватиме апарат і прилади, будуть кабелі через інтерфейс, «але ми зробимо їх якомога гнучкішими й податливішими, щоб вони не передавали багато збурень», – додає Нордт.
Тим часом підрозділ BAE Systems Space and Mission Systems із Боулдера, штат Колорадо, працює над пікометровим керуванням саме для сегментів дзеркала HWO. Ball Aerospace, яку BAE придбала 2024 року, виготовила актуатори й сегменти головного дзеркала «Вебба».
У заяві BAE пояснила, що для нанометрової стабільності «Вебба» сегменти лише час від часу точно підлаштовували цими актуаторами, тоді як HWO потребує постійного активного керування. Компанія каже, що розробила запатентовані надтонкі актуатори з пікометровою роздільністю, які «достатньо міцні, щоб утримувати вагу головного дзеркала під час наземних випробувань і витримати навантаження під час запуску».
Крім того, BAE розробляє ємнісний давач, на який подано патентну заявку: він вимірюватиме рух дзеркала за всіма шістьма ступенями свободи твердого тіла. Контур керування поєднає актуатори з давачами й дасть змогу безперервно виправляти небажані зміни положення дзеркала.
Northrop Grumman, ще один підрядник HWO, не відповіла на прохання про інтерв’ю щодо своєї технології. Утім, матеріали конференцій і загальні описи напрямів роботи підрядників HWO, надані Lockheed Martin, свідчать, що Northrop Grumman працює над жорсткими надстабільними конструкціями телескопа. Серед них – фіксатори для розгортання елементів, як-от сонячних панелей після запуску, але без структурних мікроривків, коли розгорнуті конструкції непередбачувано зсуваються, «смикаючись» у стани з нижчою енергією.
Компанія також очолює розробку щита, який захищатиме дзеркала HWO від мікрометеороїдів. Ця тема стала актуальною після того, як у травні 2022 року мікрометеороїд влучив в один із сегментів дзеркала «Вебба». Удар залишив вм’ятину, і сегмент довелося підлаштовувати актуаторами, щоб компенсувати пошкодження. Інженери місії закладали в розрахунки мікрометеороїди розміром із піщинку біля L2, але швидкість саме цієї частинки перевищила очікування. Тож, зважаючи на надзвичайну чутливість приладів, команда HWO хоче оснастити телескоп бленою у формі бочки.
Нарешті, серцем HWO буде його коронограф. Саме цьому приладу доручено створити контраст 10 мільярдів до 1, щоб тьмяні світи проступили в полі зору, коли світло їхньої зорі пригашене.
Нордт із Lockheed пропонує наочну аналогію: «Це як побачити світлячка поруч зі стадіонними прожекторами в Сан-Франциско, дивлячись із Колорадо-Спрінгз», тобто з відстані близько 1500 км.
Чимало підготовчої роботи вже зроблено завдяки коронографу Roman (CGI), який має вирушити в космос разом із телескопом уже наприкінці серпня. CGI, збудований у Лабораторії реактивного руху NASA як технологічний демонстратор, має розгледіти планети аж до розмірів Юпітера біля схожих на Сонце зір. Прилад також працює як спектрограф для вивчення атмосфер.
«Ми можемо взяти те, що зроблено для CGI, і застосувати безпосередньо до коронографа, потрібного для Hab Worlds, додавши кілька вдосконалень», – каже Болкар із NASA, який також відповідає за оптичні системи Roman.
По суті, усі відповідні компоненти й технології CGI для активного придушення світла зорі – зокрема маски, детектори та деформовні дзеркала – доведеться ще доопрацювати для HWO, каже Болкар. «Один із головних принципів проєктування – розвивати те, що ми вже вміємо, а не намагатися зробити щось цілком нове», – додає він.
Щоб Hab Worlds був досяжним
Де HWO справді прокладе нову стежку, так це в закладеній від початку можливості обслуговування. Ідея в тому, щоб обсерваторію можна було відремонтувати в разі несправності й модернізувати, коли з’являться досконаліші прилади. Роботизовані місії обслуговування могли б суттєво продовжити науковий вік HWO понад базові п’ять–десять років – подібно до того, як п’ять місій астронавтів до «Габбла» дали змогу цій «робочій конячці» постачати наукові дані вже 36 років поспіль.
Щоб вивчити, чи реальне обслуговування біля L2, NASA уклало контракт з Astroscale U.S. – денверською компанією з обслуговування на орбіті, яка зараз розробляє сервісні апарати для низької навколоземної та геостаціонарної орбіт. Хоча можливість обслуговування на етапі проєктування збільшує початкові витрати й складність HWO, вона допоможе забезпечити успіх і довговічність місії.
«Обслуговування дає такий рівень зниження ризиків для наукової програми загалом, якого не досягти, коли у вас лише один монолітний телескоп, що не підлягає обслуговуванню», – каже Джефф Шлемер, старший директор компанії з інженерії.
Серед проблем, які вивчає Astroscale, – як впоратися з приблизно 10-секундною затримкою зв’язку між L2 та Землею. Поки що базовий план такий: роботи-ремонтники напівавтономно виконують завдання, а потім звіряються з операторами місії на Землі, перш ніж переходити до наступного кроку, розповідає Шлемер.
Інше питання – як уникнути забруднення поверхонь дзеркал паливом, яке сервісний апарат використовує для маневрів зближення. Astroscale пропонує, щоб будь-яке хімічне спалювання палива, що лишає осад, – наприклад, гідразину, – виконувалося на визначеній безпечній відстані, а для маневрів поблизу добре підходять двигуни на холодному газі (наприклад, азоті), які дають значно менше осаду, каже Шлемер.
Важливо також, щоб обслуговування не поставило під загрозу виняткову стабільність HWO. На час обслуговування всі наукові спостереження призупинятимуть, але заміну деталей і технічне обслуговування доведеться виконувати дуже обережно, щоб не внести похибок.
Щодо можливих модернізацій, то, за словами Ситарскі з NASA, яскравий приклад – ультрафіолетовий коронограф-спектрограф наступного покоління після наступного, чутливий аж до приблизно 200 нанометрів. Такі короткі довжини хвиль ставлять схожі технічні виклики, що й прилад, запланований для HWO, але ще складніші, зокрема безпрецедентну стабільність і гладкість дзеркал.
Та розробка такого приладу, скажімо, до 2050-х років може бути варта очікування. «Головне, що ми отримали б від [такого приладу], – це дуже глибока смуга озону в ближньому ультрафіолеті», – каже Ситарскі. Разом з іншими, простішими виявленнями газів на довших хвилях «це було б дуже добрим індикатором можливого життя на тій планеті».
Оскільки озон швидко розпадається, йому потрібне джерело, яке постійно поповнює запаси високореакційного кисню, а в умовах землеподібної планети найрозумніше пояснення такого джерела – біологія. Якщо HWO справді знайде такі ознаки ймовірного життя, ця екзопланета, найпевніше, стане одним із найретельніше вивчених об’єктів у науці, а NASA та інші організації спрямують значні ресурси на дослідження можливої інопланетної біосфери.
Але до всього цього – роки наполегливої праці, щоб наділити цілу низку технологій можливостями, яких досі ніхто не досягав.
«Це зухвало складна обсерваторія, – каже Нордт із Lockheed. – Але я думаю, якщо ми об’єднаємо найкраще від усіх, це можна втілити».
За авторством Адама Хадгазі