La misión Webb es una colaboración internacional entre la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense, cuyo objetivo es explorar todas las etapas de la historia cósmica, desde el interior del sistema solar hasta las galaxias más lejanas observables del universo primordial. Webb también estudiará las atmósferas de planetas situados fuera de nuestro Sistema Solar (exoplanetas) para determinar si contienen gases que puedan sugerir la presencia de vida.
Cómo contribuyó la simulación al desarrollo del James Webb Space Telescope
El JWST, construido por la NASA con un coste de casi 10.000 millones de dólares, requirió aproximadamente 30 años de diseño y construcción. Su espejo recubierto de oro, de unos 7 metros, es capaz de observar más profundamente en el Universo que su predecesor, el famoso telescopio espacial Hubble y, por consiguiente, detectar eventos que tuvieron lugar mucho más atrás en el tiempo, hace más de 13.500 millones de años.
James Webb vs. Hubble
Considerado como la evolución, y no como el sustituto, del telescopio espacial Hubble, el JWST es un telescopio infrarrojo que permite observar objetos más distantes y con un fuerte desplazamiento al rojo, mientras que Hubble se utiliza para estudiar el universo en longitudes de onda ópticas y ultravioletas. El JWST también es considerablemente más grande que Hubble, que tiene aproximadamente el tamaño de un camión articulado. Con unas dimensiones de 22 m × 12 m, el JWST es casi tan grande como un Boeing 737.
El papel de la simulación CAE
El diseño, las pruebas, la construcción y el ensamblaje del JWST fueron un trabajo en equipo que involucró a tres continentes. Los instrumentos se probaron utilizando solvers CAE para realizar análisis modales, térmicos, de distorsión térmica y estructurales. Para integrar todo este trabajo de análisis y simulación se utilizó Simcenter Femap de Siemens Digital Industries Software, la aplicación estándar del equipo del JWST para el preprocesamiento y el postprocesamiento.
Dado que solo existe una oportunidad de éxito, cada pieza y conjunto de cada sistema debía probarse minuciosamente en la Tierra para garantizar que sus instrumentos funcionaran perfectamente en las condiciones previstas.
Mediante el uso de Simcenter Femap, los ingenieros de la NASA llevaron a cabo simulaciones para garantizar que cada componente no interfiriera con los demás y que el conjunto tuviera una resistencia suficiente para soportar el calor y el frío extremos, así como las vibraciones que se producen durante el lanzamiento y en condiciones normales de funcionamiento.
Los desafíos
Órbita
A diferencia de Hubble, que orbita cerca de la Tierra, el JWST se encuentra en un punto de Lagrange a 1,6 millones de kilómetros de distancia.
No existe posibilidad de enviar una misión de servicio como ocurrió con Hubble, ya que requeriría demasiado tiempo.
Para lograr este objetivo, los ingenieros del JWST tuvieron que integrar sistemas redundantes y tolerancias para garantizar que, una vez superado el lanzamiento y situado en el espacio, el telescopio pudiera desplegarse y funcionar a pesar de las temperaturas ambientales extremas.
Temperatura
El JWST tendrá un “lado caliente” y un “lado frío”: el lado caliente está formado por la nave del observatorio, que gestiona el apuntamiento y las comunicaciones, y por un escudo que bloquea el calor y la radiación procedentes del Sol, la Tierra y la Luna. El lado frío del JWST, que funciona a temperaturas próximas al cero absoluto, es donde se encuentran las superficies ópticas del telescopio.
A estas diferentes temperaturas, los materiales se expanden y contraen en distintas proporciones. Si no se tienen en cuenta estas dilataciones y no se produce una relajación de las tensiones, el telescopio podría sufrir una distorsión. Como consecuencia, los elementos del Webb podrían empujarse y tirar unos de otros hasta que, en el mejor de los casos, una distorsión del frente de onda provoque imágenes y lecturas borrosas o, en el peor de los casos, un elemento golpee a otro con una fuerza suficiente para desprenderlo del vehículo.
Para tener en cuenta este aspecto, los ingenieros y los científicos de materiales adoptaron un enfoque doble. El primero consistió en seleccionar materiales que optimizaran su estructura y redujeran la deformación a las temperaturas de funcionamiento previstas. Una vez que los científicos de materiales seleccionaron los materiales más adecuados para la misión, la tarea pasó a los ingenieros de diseño, que definieron la geometría de los componentes para posteriormente evaluarlos mediante simulación.
Vibraciones
Para garantizar que el equipo pueda soportar el lanzamiento o cualquier otro tipo de transporte, los ingenieros debían evaluar cómo reaccionarían los componentes a las vibraciones a las que estarían sometidos en el interior del vehículo de lanzamiento. Estas simulaciones son habituales tanto en grandes como en pequeñas empresas y en muchos sectores, especialmente cuando se trata de equipos sensibles, cargas pesadas que pueden afectar al control del vehículo y al consumo de combustible, o cuando los vehículos utilizados deben recorrer terrenos accidentados.
Simcenter Femap para el sector espacial
Simcenter Femap es un entorno de modelado por elementos finitos que permite gestionar todas las operaciones de preprocesamiento y postprocesamiento FEM. En Femap se puede importar geometría 3D construida con cualquier modelador CAD comercial. Una vez importada, la geometría puede utilizarse para crear modelos de elementos finitos muy detallados mediante una amplia biblioteca de elementos. El usuario dispone de una serie de comandos que permiten simplificar e idealizar la geometría para facilitar la generación automática de la malla, asignar las condiciones de contorno y, una vez realizado el análisis, visualizar e interpretar los resultados.
Uno de los puntos fuertes de Femap es que se trata de un entorno independiente del solver, lo que permite integrar Femap en cualquier flujo de trabajo de análisis por elementos finitos.
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