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Il James Webb Space Telescope (JWST) è il principale osservatorio scientifico spaziale del prossimo decennio, è stato lanciato il 24 dicembre 2021 dallo spazioporto europeo della Guyana francese, sulla costa nord-orientale del Sud America.
Il JWST, costruito dalla NASA per quasi 10 miliardi di dollari, ha richiesto circa 30 anni di progettazione e costruzione, il suo specchio placcato in oro di circa 7 metri è in grado guardare più in profondità nell’Universo rispetto al suo predecessore, il famoso telescopio spaziale Hubble, e di conseguenza, rilevare eventi che si sono verificati più indietro nel tempo, oltre 13,5 miliardi di anni fa.
La missione Webb, è una partnership internazionale tra ESA (Agenzia Spaziale Europea) e l’Agenzia Spaziale Canadese, ha l’obiettivo di esplorare ogni fase della storia cosmica, dall’interno del sistema solare alle più lontane galassie osservabili dell’universo primordiale. Webb sonderà anche le atmosfere di pianeti al di fuori del nostro Sistema Solare (esopianeti) per determinare se contengono gas che potrebbero suggerire la presenza di vita.
James Webb vs. Hubble
Considerato l’evoluzione, non il sostituto del telescopio spaziale Hubble, il JWST è un telescopio a infrarossi che consente di osservare oggetti più distanti e fortemente spostati in rosso, mentre Hubble viene utilizzato per studiare l’universo nelle lunghezze d’onda ottiche e ultraviolette. Il JWST è anche astronomicamente più grande di Hubble, che ha le dimensioni di un grosso autoarticolato. Con le sue dimensioni di 22 m x 12 m, il JWST è quasi grande come un jet Boeing 737.
Il ruolo della simulazione CAE
La progettazione, il collaudo, la costruzione e l’assemblaggio del JWST sono stati un lavoro di squadra che ha coinvolto tre continenti. Gli strumenti sono stati testati utilizzando solutori CAE per analisi modali, termiche, di distorsione termica e strutturale. A unire tutto questo lavoro di analisi e simulazione c’è Simcenter Femap di Siemens Digital Industries Software, l’applicazione standard del team JWST per il pre e post-processing.
Poiché esiste una sola opportunità di successo, ogni parte e assieme di ogni sistema doveva essere accuratamente testato sulla Terra per garantire che i suoi strumenti funzionassero perfettamente nelle condizioni previste.
Utilizzando Simcenter Femap, gli ingegneri della NASA hanno condotto simulazioni per garantire che ogni parte non interferisca con un’altra e che il tutto abbia una resistenza sufficiente, possa resistere al calore o al freddo estremi e alle vibrazioni che si verificano durante il lancio e nelle normali condizioni operative.
Le sfide
Orbita
A differenza di Hubble, che orbita vicino alla Terra, il JWST fluttua in un punto di LaGrange a 1,6 milioni di chilometri di distanza.
Non c’è modo di inviare una missione di assistenza come successe per Hubble, poiché richiederebbe troppo tempo.
Per raggiungere questo obiettivo, gli ingegneri del JWST hanno dovuto integrare ridondanza e tolleranze per assicurarsi che, una volta superato lancio, una volta nello spazio il telescopio si muovesse e funzionasse nonostante le temperature ambientali estreme.
Temperatura
Il JWST avrà un “lato caldo” e un “lato freddo”: il lato caldo è costituito dalla navicella dell’osservatorio, che gestisce il puntamento e le comunicazioni, e da uno scudo che blocca il calore e le radiazioni provenienti da Sole, Terra e Luna. Il lato freddo del JWST, che opera a temperature prossime allo zero assoluto, è quello in cui sono presenti le superfici ottiche del telescopio.
A queste diverse temperature, i materiali si espandono e si contraggono in proporzioni diverse. Se non si tiene conto di queste dilatazioni e non c’è un recupero delle sollecitazioni, il telescopio potrebbe subire una distorsione. Di conseguenza, gli elementi di Webb potrebbero spingersi e tirarsi l’un l’altro fino a quando, nel migliore dei casi, una distorsione del fronte d’onda provoca immagini e letture sfocate o, nel peggiore dei casi, qualcosa colpisce un altro elemento con una forza tale da farlo saltare fuori dal veicolo.
Per tenere conto di ciò, gli ingegneri e gli scienziati dei materiali hanno adottato un duplice approccio. La prima è stata la selezione di materiali che ottimizzassero la loro struttura e riducessero la deformazione alle temperature operative previste. Una volta che gli scienziati dei materiali hanno selezionato i materiali più adatti alla missione, il compito è passato agli ingegneri progettisti che hanno concepito la forma delle parti per poi valutarle con la simulazione.
Vibrazioni
Per garantire che l’apparecchiatura possa sopravvivere al lancio o a qualsiasi altro trasporto, gli ingegneri dovevano valutare come i componenti avrebbero reagito alle vibrazioni che avrebbero subito all’interno del vettore. Queste simulazioni sono standard per aziende grandi e piccole e in molti settori, soprattutto se si tratta di apparecchiature sensibili, di carichi pesanti che possono influire sul controllo del veicolo e sul consumo di carburante o se i veicoli utilizzati sono associati a percorsi accidentati.
Simcenter Femap per il settore spazio
Simcenter Femap è un ambiente di modellazione agli elementi finiti che permette di gestire tutte le operazioni di pre e post processing FEM. In Femap si può entrare con la geometria 3D costruita con qualsiasi modellatore CAD commerciale. Una volta importata, la geometria può essere utilizzata per creare modelli ad elementi finiti molto dettagliati, utilizzando un’ampia libreria di elementi. L’utente ha a disposizione una serie di comandi che permettono di semplificare e idealizzare la geometria per consentire la generazione automatica della mesh, assegnare le condizioni al contorno e, una volta eseguita l’analisi, visualizzare e interpretare i risultati.
Uno dei punti di forza di Femap è quello di essere un ambiente neutro nei confronti del solutore, il che permette di inserire Femap in qualsiasi workflow di analisi ad elementi finiti.
Approfondimenti:
https://www.engineering.com/simulation-made-the-james-webb-space-telescope-possible/
