Das James Webb-Weltraumteleskop erforscht wirklich das Unbekannte und zeigt atemberaubende Bilder von bisher ungesehenen Ecken des Universums, die nur dank des 21 Fuß langen segmentierten Spiegels des Teleskops möglich sind, der sich im Weltraum entfaltet und zusammensetzt.
Jahrzehntelange Tests flossen in die Materialien, das Design und die Prozesse, die für die Entwicklung des größten Teleskops im Weltraum erforderlich sind. Allerdings war das gesamte Projekt zu komplex, um es am Boden, im großen Maßstab, bei -400 °F und unter anderen weltraumähnlichen Bedingungen zu testen.
Stattdessen verließen sich die Ingenieure auf Softwaresimulationen, um zu verstehen, wie sich das Teleskop unter verschiedenen Bedingungen im Weltraum verhält, und diese Arbeit hat dazu beigetragen, das gesamte Gebiet der integrierten Computermodellierung voranzutreiben.
„Wir haben alles, die gesamte Simulation, so intensiv vorangetrieben, wie es nur ging“, sagte Erin Elliott, optische Ingenieurin bei Ansys, Inc., die Ansys Zemax OpticStudio zu einer der Design-Software-Suiten macht, die zur Entwicklung von Hardware und Software verwendet werden das Webb-Teleskop.
Die Simulationstechnologie hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund der Steigerung der Rechenleistung und neuer Möglichkeiten für den Zugriff auf externe Rechenleistung als Cloud-Dienst dramatisch verbessert. Aber weitere Verbesserungen gehen direkt auf die Entwicklung von Webb zurück.
Elliott nutzte OpticStudio zur Unterstützung des Webb-Teleskops, während er ab Anfang der 2000er Jahre für andere NASA-Auftragnehmer arbeitete, bevor er 2015 mit der Arbeit für Zemax – das später zu Ansys Zemax wurde – mit Hauptsitz in Canonsburg, Pennsylvania, begann.
In den frühen Tagen, sagte Elliott, habe Zemax seine Software für das Webb-Teleskop optimiert. „Sie haben damals einige spezifische Änderungen für uns vorgenommen, die mit der Handhabung der Koordinatensysteme der Segmente zu tun hatten“, sagte sie und bezog sich dabei auf die 18 sechseckigen Segmente, die den Hauptspiegel des Teleskops bilden.
Elliott erinnerte sich auch daran, dass er mehrfach mit der Führung von Zemax darüber gesprochen hatte, dass die Software besser mit anderen Microsoft Windows-Programmen kommunizieren müsse. Das Unternehmen führte eine API oder Anwendungsprogrammierschnittstelle für OpticStudio ein, die es der Suite ermöglicht, mit anderen Programmen zusammenzuarbeiten und weitere Anpassungen zu ermöglichen. Es gab viele Gründe, diese Technologie hinzuzufügen, aber die Webb-Forderungen waren wahrscheinlich von großer Bedeutung, sagte Elliott.
Joseph Howard, ein optischer Ingenieur am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, wo Webb und sein wissenschaftliches Instrumentenmodul zusammengebaut wurden, stellte fest, dass die Verwendung mehrerer Modellierungspakete dazu beitrug, Innovationen auf diesem Gebiet voranzutreiben. „Es ist wichtig, mehrere Softwareunternehmen zu haben, die einem nicht nur bei der Gegenprüfung der Modellierung helfen können, sondern auch, weil sie sich durch den Wettbewerb gegenseitig verbessern“, sagte er.
Das Ansys Zemax OpticStudio-Softwarepaket, hier in einer Demo der Spiegelmodellierung des James Webb-Weltraumteleskops abgebildet, wurde durch den Einsatz in der Entwicklung des Observatoriums mit neuen Fähigkeiten und Funktionen ausgestattet. Bildnachweis: Ansys Inc.
Zusätzlich zu den Verbesserungen, die an OpticStudio während der Entwicklung des Webb-Teleskops vorgenommen wurden, führte Ansys Zemax im Jahr 2021 das Modul „Structural, Thermal, Analysis, and Results“ (STAR) ein, das von den Erkenntnissen profitierte, die Elliott bei der Arbeit am NASA-Projekt gewonnen hatte.
Wenn ein Spiegel oder eine Linse aufgrund von Temperaturschwankungen ihre Form ändert, bewegt sich die Optik. Ein Großteil der OpticStudio-Modellierung wurde in kleineren Teilen durchgeführt – die Ingenieure führten unabhängig eine thermische Simulation durch und fügten diese Daten dem nächsten optischen Modell hinzu, wodurch mehr Daten für den nächsten Lauf generiert wurden.
Das STAR-Modul integriert Analysen aus anderer Simulationssoftware direkt in die optischen Modelle von OpticStudio – eine Effizienz, die auf Teleskop- und Luft- und Raumfahrtdesigns anwendbar ist. Diese Funktion wird auch für autonome Fahrzeuge, Mobiltelefonlinsen und andere Optiken, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden, immer wichtiger.
Zukünftige Teleskope und andere Raumfahrzeuge werden wahrscheinlich Elemente des Webb-Designs beinhalten. Mehr werden in Segmenten reisen, die sich im Weltraum selbst zusammensetzen müssen, und die Entwicklung der immer komplizierter werdenden Robotik und Optik wird auf verbesserter Modellierungssoftware beruhen.
„Als wir Webb bauten, wussten wir, dass wir es vor dem Flug nicht vollständig am Boden testen konnten. Deshalb waren wir bei der Vorbereitung auf den Flug stark auf Modellierung und Analyse angewiesen“, sagte Howard. „Das nächste große Observatorium wird noch stärker auf Modellierungssoftware angewiesen sein.“
In der Zwischenzeit erkennen Entwickler weiterer irdischer Technologien bereits die Vorteile eines verbesserten OpticStudio, indem sie damit Präzisionsendoskope, eine Wärmebildkamera zur Erkennung von COVID-19-Expositionen in einer Menschenmenge, Augmented-Reality-Displays und Headsets, eine Lasertriebwerkstechnologie für Nanosatelliten entwerfen. und natürlich noch mehr Teleskope.
Elliott bemerkte auch, dass das Webb-Teleskopprojekt die nächste Kohorte von Teleskop- und optischen Gerätebauern ausbildete – diejenigen, die die technologischen Ableger des Teleskops entwerfen und nutzen.
„Die Leute, die das Hubble-Weltraumteleskop gebaut haben, leiteten das Webb-Teleskop“, sagte sie. „Und jetzt werden die jüngeren Ingenieure, die uns bei diesem Projekt die Zähne ausgebissen und daraus gelernt haben, zu der Gruppe von Leuten, die die nächsten Strukturen bauen werden.“
Elliott behauptet, dass sich das Projekt „allein für die Ausbildung dieser riesigen Kohorte junger Ingenieure und deren Entlassung in High-Tech-Bereiche gelohnt hat“.