Hvordan NASAs Spitzer har holdt sig i live så længe

Efter næsten 16 års udforskning af kosmos i infrarødt lys, NASAs Spitzer-rumteleskop vil blive slukket permanent den 30. januar, 2020. Inden da rumfartøjet vil have opereret i mere end 11 år ud over dets primære mission, takket være Spitzers ingeniørteams evne til at løse unikke udfordringer, efterhånden som teleskopet glider længere og længere fra Jorden.

Administreret og drevet af NASA's Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, Spitzer er et lille, men transformerende observatorium. Den fanger infrarødt lys, som ofte udsendes af "varme" genstande, der ikke er helt varme nok til at udstråle synligt lys. Spitzer har løftet sløret for skjulte objekter i næsten alle hjørner af universet, fra en ny ring omkring Saturn til observationer af nogle af de fjerneste galakser, man kender. Den har spioneret stjerner i alle livets stadier, kortlagt vores hjemmegalakse, fangede smukke billeder af tåger og sonderede nyopdagede planeter, der kredser om fjerne stjerner.

Men som Spitzers stedfortrædende missionsleder, Joseph Hunt, sagde, "Du kan have et rumfartøj i verdensklasse, men det betyder ikke noget, hvis du ikke kan få dataene hjem."

Spitzer kredser om Solen på en sti, der ligner Jordens, men bevæger sig lidt langsommere. I dag sporer den omkring 158 millioner miles (254 millioner kilometer) bag vores planet - mere end 600 gange afstanden mellem Jorden og Månen. Den afstand, sammen med kurven for Spitzers bane, betyder, at når rumfartøjet peger sin faste antenne mod Jorden for at downloade data eller modtage kommandoer, dens solpaneler vipper væk fra solen. I disse perioder, rumfartøjet skal stole på en kombination af solenergi og batteristrøm for at fungere.

Vinklen, hvormed panelerne peger væk fra Solen, er steget hvert år, missionen har været i drift. Disse dage, at kommunikere med Jorden, Spitzer skal placere sine paneler i en 53-graders vinkel væk fra Solen (90 grader ville vende helt væk), selvom missionsplanlæggerne aldrig havde til hensigt, at den skulle hælde mere end 30 grader fra Solen. Spitzer kan kommunikere med Jorden i omkring 2,5 timer, før den skal vende sine solpaneler tilbage mod Solen for at genoplade sine batterier. Det kommunikationsvindue ville blive kortere år efter år, hvis Spitzer fortsatte med at operere, hvilket betyder, at der er en grænse for, hvor længe det ville være muligt at betjene rumfartøjet effektivt.

En vedvarende indsats

At lære rumfartøjet at acceptere nye forhold – såsom den stigende vinkel på solpanelerne under kommunikation med Jorden – er ikke så simpelt som at dreje på en kontakt. Der er flere måder, hvorpå disse ændringer kan udløse sikkerhedsmekanismer i rumfartøjets flyvesoftware. For eksempel, hvis panelerne vippede mere end 30 grader fra Solen i løbet af missionens første år, softwaren ville have ramt "pause, " at sætte rumfartøjet i "sikker tilstand", indtil missionsholdet kunne finde ud af, hvad der var galt. Den skiftende vinkel mellem Spitzer og Solen kunne også udløse sikkerhedsmekanismer, der skulle forhindre rumfartøjets dele i at overophedes.

At gå ind i sikker tilstand kan være særligt farligt for rumfartøjet, både på grund af dens voksende afstand fra Jorden (hvilket gør det sværere at kommunikere), og fordi de aldrende indbyggede systemer måske ikke genstarter, når de slukker.

For at håndtere disse udfordringer, projektingeniørerne og videnskabsmændene ved JPL og Caltech har arbejdet med observatoriets ingeniørteam på Lockheed Martin Space's Littleton, Colorado, mulighed for at finde en vej frem. (Lockheed Martin byggede Spitzer-rumfartøjet for NASA.) Bolinda Kahr, Spitzers missionsleder, leder dette multicenterteam. I årenes løb har hun og hendes kolleger med succes fundet ud af, hvordan man tilsidesætter sikkerhedsmekanismer designet til den primære mission, mens de også sørger for, at sådanne ændringer ikke introducerer andre uønskede bivirkninger.

Men efterhånden som Spitzer ældes og kommer længere fra Jorden, udfordringen med at holde rumfartøjet i drift og risikoen for, at det vil lide af en større anomali, er kun stigende.

"Jeg kan oprigtigt sige, at ingen involveret i missionsplanlægningen troede, at vi ville køre i 2019, " sagde Lisa Storrie-Lombardi, Spitzers projektleder. "Men vi har et utroligt robust rumfartøj og et utroligt hold. Og vi har været heldige. Man skal have lidt held, because you can't anticipate everything."

Keeping Cool

Most infrared detectors have to be cooled to very low temperatures, because excess infrared light from "warm" objects—including the Sun, Jorden, the spacecraft and even the instruments themselves—can overwhelm the infrared sensors. This cooling is typically done with a chemical coolant.

The Spitzer planners instead came up with a passive-cooling system that included flying the spacecraft far from Earth (a major infrared heat source). They also chose materials for the spacecraft exterior that would both reflect sunlight away before it could heat the telescope and radiate absorbed heat back into space. In this configuration, coolant is required only to lower the instrument temperatures a few degrees further. Reducing the onboard coolant supply also drastically allowed the engineers to cut the total size of the spacecraft by more than 80% and helped curtail the anticipated mission budget by more than 75%.

Although Spitzer's coolant supply ran out in 2009, rendering two of its three instruments unusable, the team was able to keep half of the remaining instrument operating. (The instrument was designed to detect four wavelengths of infrared light; in the "warm" mode, it can still detect two of them.)

Lasting more than twice as long as the primary mission, Spitzer's extended mission has yielded some of the observatory's most transformational results. I 2017, the telescope revealed the presence of seven rocky planets around the TRAPPIST-1 star. I mange tilfælde, Spitzer's exoplanet observations were combined with observations by other missions, including NASA's Kepler and Hubble space telescopes.

Spitzer's final year and a half of science operations include a number of exoplanet-related investigations. One program will investigate 15 dwarf stars (similar to the TRAPPIST-1 star) likely to host exoplanets. An additional 650 hours are dedicated to follow-up observations of planets discovered by NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), which launched just over a year ago.

Final Voyage

Every mission must end at some point. As the challenges associated with operating Spitzer continue to grow and as the risk of a mission-ending anomaly on the spacecraft rises, NASA has made the decision to close out the mission in a controlled manner.

"There have been times when the Spitzer mission could have ended in a way we didn't plan for, " said Kahr. "I'm glad that in January we'll be able to retire the spacecraft deliberately, the way we want to do it."

While Spitzer's mission is ending, it has helped set the stage for NASA's James Webb Space Telescope, set to launch in 2021, which will study the universe in many of the same wavelengths observed by Spitzer. Webb's primary mirror is about 7.5 times larger than Spitzer's mirror, meaning Webb will be able to study many of the same targets in much higher resolution and objects much farther away from Earth than what Spitzer can observe.

Thirteen science programs have already been selected for Webb's first five months of operations, four of which build directly on Spitzer observations. Webb will greatly expand on the legacy begun by Spitzer and answer questions that Spitzer has only begun to investigate.