O espelho do Webb
A ideia de usar espelhos em vez de lentes em telescópios vem já do século XVII, e foi popularizada por Isaac Newton. Ao contrário da lente, que separa as diferentes cores da luz que por ela passa e torna a focagem difícil, o espelho permite minimizar esse problema. Além disso, as lentes são mais difíceis de fabricar e mais pesadas.
O problema do peso, e do tamanho, é de especial importância no caso de telescópios espaciais como o Hubble Space Telescope (HST) e o seu sucessor James Webb Space Telescope (Webb), que precisam de ser lançados da Terra.
O espelho do HST, de 2.4 m de diâmetro e 827 kg de peso, atingiu o limite prático do que se pode lançar para o espaço. Mas, para ver mais longe, mais depressa e melhor, e para atingir todos os objectivos observacionais planeados para o Webb, havia necessidade de o equipar com um espelho primário de 6.5 metros de diâmetro.
Assim, a solução encontrada foi segmentar o espelho em 18 peças hexagonais, cada uma com 1.32 m de diâmetro e um peso de 20 kg, resultando num peso total quase metade do HST. A segmentação torna possível dobrar o espelho tornando-o mais compacto no momento do lançamento.
A forma hexagonal dos segmentos (cada um tem 6 lados iguais) tem outras vantagens:
Primeiro, o hexagono é um de três polígonos regulares que permitem a tesselação (preenchimento completo) de uma área plana. Os outros dois são o triângulo e o quadrado, mas o hexágono é o que permite um mosaico mais aproximado a um círculo, que permite focar a luz de forma mais útil nos instrumentos.
Em segundo lugar, o hexágono tem elevada simetria (6 eixos) o que faz com que sejam precisas apenas três receitas de ajuste óptico (receitas para os segmentos A, B e C na figura, que se encontra na mesma “posição” em relação ao eixo.) Noutro artigo falaremos do ajuste óptico do sistema de espelhos; outra inovação que já conduziu a aplicações terrestres.
Os espelhos têm que ter elevada resistência mecânica para resistir ao lançamento e rigidez para não se deformarem na desdobragem e manterem a óptica alinhada. Têm também que manter estas propriedades a temperaturas criogénicas (perto dos –220 ºC), possíveis graças ao O Escudo do Webb.
Estes requisitos definiram o material de que os espelhos são feitos: berílio. Além de ser oferecer uma excelente relação entre força estrutural e o peso, o berílio é capaz de resistir à deformação numa gama vasta de temperaturas. O berílio é ainda um excelente condutor de electricidade e calor (ajuda a manter o espelho frio) e não é magnético.
O berílio tem várias aplicações terrestres, sendo usado em aviões supersónicos (e no defunto Space Shuttle), em certo tipo de ferramentas e molas que requerem propriedades e performance específicas.
Os segmentos de espelho do Webb são feitos de berílio em pó, que é comprimido em moldes que conferem a forma desejada. O pó de berílio é nocivo e não deve ser inspirado. A estrutura interna de cada segmento é oca, em favos triangulares, para tornar a estrutura ainda mais leve sem prejudicar a integridade mecânica.
Após o fabrico, cada segmento é polido e testado às baixas temperaturas de funcionamento para verificar que não “enruga” ao arrefecer. Finalmente, os segmentos são revestidos a ouro, que tem propriedades óptimas de reflexão de luz infravermelha, e subsequentemente recobertos por uma fina camada de óxido de silício para proteger a frágil camada de ouro.
A camada de ouro tem apenas 100 nanómetros de espessura. Multiplicando pela área de cada segmento e por 18 segmentos, dá um volume total de ouro de 2 cm^3, ou aproximadamente 40 gramas, e vale cerca de 2000€ ao preço actual.
A luz que vem do universo remoto embate primeiro no espelho primário (daí o nome) e é reflectida para um espelho secundário circular de 74 cm de diâmetro que a reflecte para um espelho terciário ainda mais pequena. Esta sequência permite fazer ajustes ópticos e obter uma imagem tão plana e sem deformações quanto possível.
Saber mais:
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