Los materiales del James Webb: el telescopio espacial de los 10 000 millones de dólares

La factura del telescopio espacial James Webb es astronómica. Una parte importante de este precio es el uso masivo de materiales extremadamente avanzados a una escala nunca antes vista.

 
Un operario trabajando en el James Webb durante las pruebas en tierra

¿Cómo mantenerse frío? Tapándose

El James Webb, en adelante JWST, por sus siglas en inglés, emplea un material plástico dispuesto en láminas para aislarse de la radiación solar.

 

Este material se llama Kapton. Fue inventado y patentado en la década de los sesenta por la Dupont Corporation y desde entonces ha sido empleado como aislante térmico entre otras aplicaciones.

Lo que lo hace idóneo para este trabajo es su capacidad para mantenerse estable entre los 4 Kelvin (-269ºC) y los 673K (400ºC). Muchos materiales no lograrían sobrevivir a las temperaturas que requiere el instrumento MIRI, de tan solo 6K. Aún así, es de rigor decir que estas temperaturas se logran mediante refrigeración criogénica.

En efecto, para el JWST no es suficiente con generar una sombra a unos heladores 40K (-233ºC). Temperatura a la que se pueden mantener en estado sólido la mayor parte de los elementos conocidos por el ser humano. Como contexto, está lejos de los 77K (-200ºC) a los que se encuentra el popular nitrógeno líquido.

Detalle de una de las cinco láminas de Kapton levantada

El problema principal del JWST es que busca explorar una región del espectro electromagnético extremadamente difícil de escrutar.  Para poder mirar en infrarrojo el observador debe estar más frío que lo que sea que se observe y el espacio es muy frío.

 

Idealmente se harían este tipo de observaciones en tierra, es sensiblemente más barato y puedes repostar refrigerante criogénico. Pero tampoco es posible porque la atmosfera impide las observaciones en esta franja del espectro. A la NASA se le ocurrió una idea en su momento y es que con un avión si podrían hacerse observaciones infrarrojas así que en 1996 junto al DLR empezaron a trabajar en SOFIA.  Este avión lleva un telescopio infrarrojo de 2,5 metros de diámetro, el más grande hasta ahora solo superado por el JWST. Sin embargo, este también caro proyecto será retirado a finales de año tras la entrada en servicio de este nuevo telescopio.

El telescopio SOFIA estaba montando en un Boeing 747 altamente modificado para permitir observar el cielo en infrarrojo. Fuente:NASA/DLR

En conclusión, la NASA necesitaba que el JWST durase el máximo tiempo posible porque no habría sustituto en mucho tiempo en este espectro. Se la jugaban a una sola carta, más aún después de los retrasos y sobrecostes que han provocado que hoy en día estemos recibiendo las primeras imágenes de un telescopio que se lleva diseñando desde mediados de los años ochenta del siglo pasado.

Así que usar refrigerante criogénico para todos los instrumentos estaba descartado, ya que este es el limitante en la vida útil de los telescopios infrarrojos.

Así que el Kapton no debe solo resistir bajas temperaturas si no provocarlas. El primer paso es evitar que la luz solar llegue o se acerque a los instrumentos. De eso se encarga el propio material gracias a su gran capacidad como aislante térmico. Después cada capa esta diseñada para radiar hacia fuera la radiación térmica que atraviesa la capa anterior. Por eso las zonas centrales de las láminas son ligeramente más gruesas que las exteriores.

Un espejo de oro

 
Técnicos trabajan con uno de los segmentos del espejo primario. Fuente: NASA

En las imágenes del JWST siempre se ve a su espejo primario con un color dorado. Sin embargo, este color es aportado por un material muy escaso en este espejo. Los 18 segmentos del telescopio tienen una capa de apenas 100 nanómetros de espesor (1 nanómetro= 0,000001 milímetros). Es tan fina que pese a estar repartida a lo largo de los 25m2 del espejo primario únicamente se usó 48,25 gramos de oro. Como ejemplo una pelota de golf pesa solamente 45,9 gramos.

 

Debido a su tamaño la forma en que se dispensó casi molécula a molécula sobre cada segmento. Esta técnica recibe el nombre de deposición de vapor al vacío y permite una precisión sin igual al trabajar a nivel atómico en cámaras de vacío que impiden el filtrado de contaminantes.

Esta capa pese a lo fina que es tiene un valor clave en las operaciones del JWST ya que es la encargada de reflejar la imagen que llega a ese espejo primario que recubre. Se escogió oro ya que este material refleja el 99% de la luz infrarroja recibida, esto permite maximizar los resultados ya que cuanta más luz reciban los instrumentos más lejos se podrá ver y de mejor calidad serán las imágenes.

Sin embargo, el material principal del espejo primario es el berilio. Este preciado mineral de 4000€ el kilogramo tiene unos orígenes cósmicos. Actualmente se cree que el berilio se forma en supernovas, igual que la mayor parte de los elementos pesados de la tabla periódica, pero no sirve cualquier supernova. Se requiere que esa supernova sea impactada por un haz de rayos cósmicos, entonces es cuando se forma.

 

Este valioso material tiene muchas cualidades interesantes, sin embargo, la más importante para el James Webb era su increíble ligereza. Pese a su tamaño cada segmento pesa únicamente 20 kilogramos. Un segmento del mismo tamaño de aluminio pesaría en torno a 30 kilogramos, por los 18 segmentos que posee la diferencia de peso empieza a ser notable.

Otro importante valor añadido del berilio es su rigidez. Hasta seis veces más que el acero, esto es muy valioso para impedir desalineaciones durante maniobras propulsivas por ejemplo.

Y compartiendo característica con el Kapton otro importante punto es su comportamiento a bajas temperaturasTodos los metales se contraen a partir de cierta cantidad de frío, sin embargo el berilio aguanta mejor estas temperaturas y se contrae mucho menos que otros.

Imagen donde se aprecian varios espejos aún sin la película de oro. Fuente:NASA

En este artículo se mencionan solo tres de los muchos materiales que componen el James Webb, pero hablar de todos es imposible.

 

Hay silicio, hidracina, carbono, sal y solo por nombrar algunos de los más importantes que no nombro en el articulo.

Todo esto permite ver la galaxia más antigua del universo conocido como os contamos aquí.

U observar los anillos de Júpiter como nunca antes.

Martín Morala Andrés