جو زمین، شرایط آب و هوایی و ماهواره‌های نزدیک به زمین نمی‌توانند دید آن‌ها را مختل کنند. اما تلسکوپ‌های فضایی یک نقطه ضعف دارند: آن‌ها قابل تعمیر نیستند، حداقل از زمانی که برنامه شاتل فضایی ناسا در سال ۱۳۸۹ به پایان رسید.
اما اکنون تلسکوپ‌های نسل بعدی با در نظر گرفتن مأموریت‌های تعمیرات رباتیک طراحی می‌شوند. و این فقط مربوط به مدار نزدیک زمین نیست، جایی که تلسکوپ فضایی هابل پنج بار توسط خدمه شاتل فضایی تعمیر و ارتقا یافت. مهندسان امروزی راه‌هایی برای تعمیر تلسکوپ‌ها در اعماق فضا، از جمله در نقطه لاگرانژی L2 خورشید-زمین، برنامه‌ریزی می‌کنند.
L2 خانه کنونی تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و مأموریت گایا متعلق به آژانس فضایی اروپا (ESA) است. در این موقعیت، زمین بین خورشید و تلسکوپ‌ها قرار دارد و شرایط ایده‌آلی برای مشاهده جهان فراهم می‌کند.
“اگرچه گایا و JWST به‌طور خاص برای تعمیرپذیری طراحی نشده‌اند، تلسکوپ‌های فضایی نسل بعدی که اکنون در حال توسعه هستند، قابلیت تعمیرپذیری را در طراحی‌های پایه خود گنجانده‌اند”، نویسندگان مقاله‌ای جدید از تیمی در کالج مهندسی گرینگر دانشگاه ایلینوی اوربانا-شمپین می‌نویسند.
فضاپیماهای خدماتی می‌توانند به تلسکوپ‌های معیوب متصل شوند، سوخت اضافی، چرخ‌های واکنشی کارآمد یا حتی آینه‌های آسیب‌دیده و سایر اجزای کلیدی را تعمیر کنند.
اما این کار آسانی نیست.
تیم دانشگاه ایلینوی، شامل پروفسور زیگفرید اگل و روثویک بومنا، از گایا و JWST به‌عنوان نمونه‌های آزمایشی برای طراحی یک مأموریت خدماتی عملی استفاده کردند.
“گایا شبیه یک استوانه چرخان با یک پنل خورشیدی است. این تلسکوپ محافظت شده است و آسیب ندیده، اما پس از یک دهه در فضا، سوختش رو به اتمام است”، اگل در یک بیانیه مطبوعاتی گفت. “روثویک بومنا یک مفهوم نوآورانه برای اضافه کردن یک ضمیمه شبیه عنکبوت طراحی کرد که می‌تواند عمر گایا را بدون اختلال در جمع‌آوری داده‌ها افزایش دهد. گایا به‌زودی از خدمت خارج می‌شود، بنابراین زمان کافی برای رسیدن به آن وجود ندارد، اما جیمز وب ممکن است هنوز قابل دسترسی باشد، چون سال‌ها به کار خود ادامه خواهد داد و ممکن است تصمیم بگیرند مأموریت آن را طولانی‌تر کنند.”
آینه‌های بیرونی JWST تاکنون چندین بار توسط ریزشهاب‌ها مورد برخورد قرار گرفته‌اند و کیفیت مشاهدات آن را تحت تأثیر قرار داده‌اند.
“ما سعی می‌کنیم یک گام جلوتر باشیم تا برنامه‌ای برای جایگزینی آینه‌های شکسته، به‌عنوان مثال، داشته باشیم. اگر این کار را نکنیم، مثل این است که یک ماشین اسپرت گران‌قیمت بخرید و بعد وقتی سوختش تمام شد، آن را دور بیندازید”، اگل می‌گوید.
یکی از مهم‌ترین موانع مأموریت‌های تعمیر در فواصل دور، طراحی یک مسیر برای ملاقات با هدف است.
“یک فضاپیما که برای تعمیر یا سوخت‌رسانی به یک تلسکوپ ارسال می‌شود، هنگام رسیدن باید ترمز کند”، بومنا گفت. “استفاده از موتورهای پرتابی برای کاهش سرعت شبیه این است که یک مشعل به سمت تلسکوپ بگیرید. شما نمی‌خواهید این کار را با ساختاری ظریف مثل آینه تلسکوپ انجام دهید. چطور بدون آسیب رساندن به آن به هدف برسیم؟”
علاوه بر این، تیم در حال تلاش برای بهینه‌سازی مصرف سوخت و هزینه این مأموریت است.
پروفسور روبین وولاندز، یکی دیگر از نویسندگان مقاله، توضیح می‌دهد: “رسیدن به هدف امکان‌پذیر است به لطف برخی مسیرهای پنهان در منظومه شمسی ما. ما یک مسیر بهینه برای اندازه فضاپیمای لازم برای تعمیر JWST طراحی کرده‌ایم.”
این “مسیرهای پنهان” مسیرهای هندسی بهینه‌ای هستند که با استفاده از مکانیک مداری، ملاقات با هدف را ایمن و مقرون‌به‌صرفه می‌کنند. تیم یک روش جدید برای محاسبه و ارزیابی این مسیرهای بهینه توسعه داده است.
“بعد از اینکه نقشه‌ای از راه‌حل‌های اولیه ایجاد کردیم، از نظریه کنترل بهینه برای ایجاد مسیرهای بهینه از ابتدا تا انتها استفاده می‌کنیم”، الکس پاسکارلا، دانشجوی دکتری، گفت. “کنترل بهینه به ما امکان می‌دهد مسیرهایی پیدا کنیم که از نزدیکی زمین شروع شده و در کمترین زمان با تلسکوپ فضایی ملاقات می‌کنند. نمونه‌برداری اولیه از فضای راه‌حل اساسی است – مسائل کنترل بهینه به طرز بدنامی دشوار هستند، بنابراین ما به یک حدس اولیه مناسب نیاز داریم.”
“نوآوری ما در نحوه ترکیب دو رویکرد جداگانه برای طراحی مسیر است: نظریه سیستم‌های دینامیکی و نظریه کنترل بهینه”، پاسکارلا افزود.
با تلاش تیم‌هایی مانند این، عمر تلسکوپ‌های فضایی ممکن است فراتر از زمان برنامه‌ریزی‌شده اولیه آن‌ها تمدید شود و این خبر خوبی برای اخترفیزیکدانان و برنامه‌های فضایی در سراسر جهان است.
