Megaprojecten
JWST – De James Webb Ruimtetelescoop
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Dieper het universum bekijken
Sommige megaprojecten omvatten gigantische infrastructuren, zoals bijvoorbeeld de 27‑kilometer diameter cirkel van de CERN‑deeltjesversneller of het 800‑mijl lange neutrino‑experiment van DUNE.
Andere kunnen worden gekwalificeerd als megaprojecten, niet vanwege hun omvang, maar vanwege hun enorme complexiteit, kosten en hoe transformerend ze zijn voor ons begrip van het universum.
Een goed voorbeeld hiervan is de James Webb Ruimtetelescoop (JWST). Deze op infrarood licht gebaseerde ruimtetelescoop is de krachtigste en grootste die ooit is gemaakt. De telescoop draagt de naam van James E. Webb, de legendarische beheerder van NASA van 1961 tot 1968 tijdens de Mercury‑, Gemini‑ en Apollo‑programma’s.
Bron: NASA
JWST is zo krachtig dat hij ons even goed kan helpen de allereerste sterren die in het universum ontstonden te observeren en potentieel bewoonbare exoplaneten te vinden. En om deze resultaten te behalen, hebben wetenschappers en ingenieurs wonderen verricht om de grenzen van wat telescopen kunnen bereiken te verleggen.
Waarom een telescoop in de ruimte plaatsen?
Het eerste dat men moet begrijpen over de James Webb Ruimtetelescoop is waarom hij überhaupt in de ruimte moet staan. Immers, het deeltjes van complexe machines de ruimte in krijgen is veel moeilijker dan hetzelfde op aarde bouwen.
Door de atmosfeer te verlaten, kunnen telescopen een uitzicht op het universum krijgen dat niet wordt verstoord door lichtvervuiling, atmosferische turbulentie en, uiteraard, wolken en weerpatronen.
Dit is de reden waarom de relatief kleine Hubble‑telescoop zo goed presteerde vergeleken met grond‑gebaseerde telescopen. Maar dit was extra belangrijk voor JWST, aangezien deze telescoop niet zichtbaar licht, maar infrarood licht meet.
Waterdamp in de aardse atmosfeer absorbeert infraroodstraling. Infrarood‑telescopen op de grond worden meestal op hoge bergen en in zeer droge klimaten geplaatst om de zichtbaarheid te verbeteren, maar dit is nog steeds niet ideaal en creëert een inherente limiet voor wat ze kunnen observeren.
JWST is de nieuwste en verreweg krachtigste in een reeks ruimtelijke infrarood‑telescopen, volgend op de Infrared Astronomical Satellite (IRAS), de Spitzer Space Telescope, en de Wide‑field Infrared Survey Explorer (WISE).
JWST werd gelanceerd in 2021 op een Franse Ariane 5‑raket, vanuit Frans‑Guyana. Een maand later bereikte hij zijn bestemming, het Sun‑Earth L2‑Lagrangepunt, ongeveer 1,5 miljoen kilometer (930.000 mijl) van de aarde.
Lagrangepunten zijn posities in de ruimte die constant blijven ten opzichte van de aarde, ondanks dat ze niet in een baan om de aarde draaien. Momenteel wordt een ander Lagrangepunt (L1) gebruikt door DSCOVR: Deep Space Climate Observatory.
Bron: NOAA
De positie van JWST betekent dat hij het grootste deel van de hemel gedurende het jaar kan observeren, zolang hij niet in de richting van de aarde en de zon staat; 39 % van de hemel is potentieel zichtbaar voor Webb op elk moment.
Waarom infraroodobservatie gebruiken?
Verre objecten
Voor zeer verre objecten in het universum treedt een fenomeen genaamd “redshift” op, waardoor hun licht naar het infrarood verschuift. Dus elke observatie van het zeer diepe (en dus zeer oude) deel van het universum moet in het infrarode deel van het lichtspectrum gebeuren.
Bron: SciTech Daily
Door dit fenomeen kon Hubble slechts tot een bepaalde afstand en terug in de tijd kijken toen de eerste sterrenstelsels zich vormden. Door naar infrarood te kijken, kan JWST zo ver in de geschiedenis van het universum kijken als de eerste sterren die zich vormen.
Exoplaneten
Infraroodobservaties hebben een ander voordeel, dit keer met betrekking tot de analyse van exoplaneten. JWST zal een systeem dragen dat een coronograaf wordt genoemd: dit blokkeert het licht van een ster, waardoor we beter de minder heldere objecten die eromheen draaien, zoals kleine exoplaneten, kunnen zien.
Het beeld van een exoplanet zou slechts een stip zijn, geen groot panorama.
Bron: NASA
Desondanks kan het licht van die stip worden geanalyseerd via een methode die spectroscopie wordt genoemd, waarmee we de samenstelling van de atmosfeer van deze exoplaneten kunnen bepalen. Bij infrarode golflengten hebben de moleculen in de atmosfeer van exoplaneten het grootste aantal spectrale kenmerken, dus we krijgen veel meer informatie dan bij gebruik van zichtbaar licht.
Via deze methode kunnen we niet alleen bepalen of planeten in andere zonnestelsels water en CO2 bevatten, maar ook methaan, ammoniak of complexe moleculen die mogelijk wijzen op buitenaards leven.
JWST vergeleken met Hubble
Wat betreft zijn observatievermogen richt JWST zich voornamelijk op nabij‑infrarood licht, maar kan ook oranje en rood zichtbaar licht zien, en het midden‑infrarode bereik, afhankelijk van het gebruikte instrument.
Hij kan objecten detecteren die 100 × minder helder zijn dan Hubble kon. En in veel gevallen wordt hij gebruikt om terug te kijken naar objecten die Hubble in eerste instantie onthulde, om nieuwe inzichten over hen te verkrijgen.
Echter, de scherpte van de beelden zal vergelijkbaar zijn met die van Hubble, omdat infrarode beelden van nature minder scherp zijn dan zichtbaar licht vanwege de langere golflengten.
Een ander verschil tussen de twee iconische telescopen is dat JWST door gaswolken kan kijken die zichtbaar licht blokkeren, maar niet infrarood. Dus de JWST‑versie van de beroemde “Pilaren van de Schepping” foto, in de Eagle‑nevel, onthult veel sterren binnen en rond de zuilen.
Bron: Webb Telescope
JWST‑specificaties
JWST draagt een 6,5 meter (21 voet) goud‑gecoat beryllium primaire spiegel, opgebouwd uit 18 afzonderlijke zeshoekige spiegels, wat hem zijn iconische uiterlijk geeft.
Elke van deze spiegels weegt 20 kg (44 pound). De 100‑nanometer goudcoating reflecteert infrarood licht en is bedekt met glas om voldoende robuust te zijn. Dit geeft een lichtverzamelend oppervlak dat 6 × groter is dan dat van Hubble. In totaal werd slechts 48,25 g goud (1,7 ounce) gebruikt.
Bron: NASA
Webb, in tegenstelling tot Hubble, is niet ontworpen om door astronauten te worden onderhouden, vanwege de grote afstand tot de aarde. Als gevolg daarvan zijn alle kritieke sub‑componenten dubbel, bijvoorbeeld twee Near‑Infrared Cameras, of zijn ze ontworpen om vele jaren mee te gaan, zoals de spiegels.
JWST wordt geacht minimaal 5 jaar mee te gaan, met een doel van 10 jaar operaties. Hij heeft echter genoeg brandstof (om op het Lagrangepunt te blijven) voor in totaal 20 jaar, dus hij zou langer kunnen meegaan als er geen cruciale onderdelen falen.
JWST‑budget
In totaal kostte de James Webb Ruimtetelescoop meer dan $11 miljard, meer dan 10 × de oorspronkelijke schatting van NASA voor dit project. Deze prijsexplosie dreigde de levensvatbaarheid van het project in de jaren 2010 te ondermijnen, omdat het (destijds) budget explodeerde tot “slechts” $6,5 miljard.
Een lancering die oorspronkelijk gepland stond voor 2014, uiteindelijk 7 jaar te laat, voegde toe aan de kritiek.
“De fundamentele oorzaak van het probleem is dat op het moment van (de formele goedkeuring van het programma), die teruggaat tot juli 2008, het budget dat NASA werd gepresenteerd door het projectkantoor in wezen gebrekkig was,” vertelde hij aan verslaggevers in een middag‑teleconferentie.
Het budget bevatte simpelweg niet de inhoud die het project op dat moment al kende. En dus was het vanuit financieel oogpunt gewoon onvoldoende om het werk uit te voeren.”
John Casani, een breed gerespecteerde projectmanager bij NASA’s Jet Propulsion Laboratory
Aangezien het project bijna twee decennia nodig had om te worden ontworpen en gebouwd, overschreed het echter nooit meer dan 3 % van het jaarlijkse NASA‑budget. Het verbruikte echter wel een derde van het budget van de NASA Astrophysics Division tussen 2003‑2021.
En nu JWST een van de meest indrukwekkende en succesvolle programma’s in de geschiedenis van de astronomie is, worden de meeste van deze debatten vergeten.
De verbazingwekkende engineering van JWST
Gewicht verliezen
Het eerste probleem voor de ontwerpers van JWST was dat zo’n grote spiegel te zwaar zou zijn. Als ze het ontwerp van Hubble hadden hergebruikt, zou hij te zwaar zijn om de ruimte in te worden gelanceerd.
Daarom werd gekozen voor beryllium, dat zowel sterk als licht genoeg is. Een andere factor was de extreme temperatuur van de diepe ruimte, die de extreem precieze kromming van de spiegels zou kunnen vervormen.
Beryllium was hier ook een goede optie, omdat het zijn vorm niet meer verandert wanneer het erg koud is. Dus werden de spiegels vervaardigd met een “verkeerde” hoek, die precies zou buigen naar de uiteindelijke vorm wanneer ze werden blootgesteld aan de koude van de ruimte (-233°C/-388°F).
Bron: JWST
Elke spiegel zou uiteindelijk worden uitgelijnd tot een precisie gelijk aan 1/10.000 van de dikte van een menselijk haar.
Ultra‑lichte materialen zoals composieten werden ook gekozen voor de ruggengraat van de telescoop, waardoor extra gewicht werd bespaard.
Bron: NASA
Opvouwen
Een ander groot probleem was dat de extreme grootte van de telescoopspiegel die dit ontwerp vereist, niet in een beschikbare raket zou passen.
Daarom werd al vroeg besloten de structuur onderdeel voor onderdeel uit te vouwen, inclusief het zonneschild en de spiegels. Hoe het geheel efficiënt te vouwen en betrouwbaar te laten uitvouwen bleef een zorg.
NASA‑wetenschappers haalden inspiratie uit origami, de Japanse kunst van papier vouwen, en kozen uiteindelijk voor een hexagonaal origami‑patroon.
Dit was een hoog‑risicobeslissing voor het James‑Webb‑team, omdat zo’n complexe uitvouwprocedure nog nooit eerder was uitgevoerd. En elke mislukking zou het hele project hebben verwoest.
U kunt stap‑voor‑stap zien hoe het uitvouwen werkte in deze korte JWST‑video:
Zonnebescherming
Aangezien de telescoop zijn doelen in infrarood observeert, was bescherming tegen de hitte van de zon net zo essentieel als het hebben van lichte spiegels en een correcte uitvouwprocedure.
Het zonneschild van JWST houdt het temperatuurverschil tussen de hete en koude kant van de telescoop bij bijna 315 °C/600 °F, dankzij een 5‑lagige isolatie.
Het zonneschild is zo groot als een tennisbaan en bestaat uit lagen Kapton E (polyimide‑film) met aluminium‑ en gedoopte‑silicium‑coatings om de warmte van de zon terug te reflecteren naar de ruimte.
Telecommunicatie
JWST zendt zijn data terug en ontvangt instructies van de aarde via NASA’s Deep Space Network. Dit gaat via grondstations in Canberra, Madrid en Goldstone.
Webb kan minimaal 57,2 gigabyte aan geregistreerde wetenschappelijke data per dag downlinken, met een maximale datasnelheid van 28 megabit per seconde.
Bron: Webb Telescope
Andere componenten
De rest van de telescoop was even hoog‑tech en hoog‑presterend. Eervolle vermeldingen kunnen worden gegeven aan een paar onderdelen:
- Cryocooler: De mid‑infrarood (MIRI) sensoren van JWST moeten opereren op -266,15 °C/-447 °F, kouder dan zelfs de diepten van de ruimte. Daarom moest een extra koelsysteem worden toegevoegd om het instrument te koelen.
- Backplane: De ruggengraat van de telescoop weegt 2,4 ton (5.300 pound) en biedt de absolute stilstaande positie die nodig is voor de telescoop om scherpe foto’s te maken. Hij is ontworpen om stabiel te blijven tot 32 nanometer, wat 1/10.000 van de diameter van een menselijk haar is.
- Micro‑shutters: dit raster van 248.000 kleine deurtjes kan individueel worden geopend en gesloten om licht door te laten of te blokkeren. Dit stelt JWST in staat om gelijktijdig honderden individuele objecten in een veld van sterren of sterrenstelsels te observeren. Als gevolg kan JWST veel meer waarnemingen uitvoeren in een bepaalde tijdsperiode.
Prestaties van JWST
In slechts een paar jaar operationeel heeft JWST al volledig veranderd hoe astronomen het universum begrijpen. Het is daarom bijna onmogelijk om alles wat hij al heeft gedaan op te sommen, maar een paar verhalen verdienen extra aandacht.
Verspreiding van nieuw gevormde koolstof
JWST heeft twee sterren geïdentificeerd die verantwoordelijk zijn voor het genereren van koolstof‑rijk stof op slechts 5.000 lichtjaar afstand in onze eigen Melkweg. Hij zag concentrische bolvormige “schillen” die werden gevormd door de botsende zonnestromen van de twee sterren, waardoor nieuw gevormde koolstof door het sterrenstelsel werd verspreid.
Bron: Webb Telescope
Elke schil raast weg van de sterren met meer dan 1.600 mijl per seconde (2.600 kilometer per seconde), bijna 1 % van de lichtsnelheid. In dit systeem laat het observatorium zien dat de stofschillen zich van het ene jaar op het andere uitbreiden.
De mid‑infrarode beelden van de telescoop detecteerden schillen die meer dan 130 jaar hebben bestaan. Oudere schillen zijn zo ver verdund dat ze nu te zwak zijn om te detecteren.”
Jennifer Hoffman, een coauteur en professor aan de Universiteit van Denver
Actieve objecten aan de rand van ons zonnestelsel
JWST detecteert gasuitstoot van het ijzige “Centaur 29P/Schwassmann‑Wachmann”, een komeet‑achtig object in de buurt van Neptunus.
Ze ontdekten een nieuwe straal van koolmonoxide (CO) en eerder ongeziene stralen van kooldioxide (CO₂) gas, die nieuwe aanwijzingen geven over de aard van de kern van dit ster‑achtige object.
Bron: Webb Telescope
Beeld van nabije exoplaneten
JWST ving een direct beeld van een exoplanet op slechts 12 lichtjaar afstand van ons, Epsilon Indi Ab. De planeet heeft meerdere keren de massa van Jupiter en draait rond een ster die enigszins lijkt op onze zon.
Het is een van de koudste exoplaneten die direct is gedetecteerd, met een geschatte gemiddelde temperatuur van 2 °C/35 °F (ter referentie: de gemiddelde temperatuur van de aarde is 15 °C (59 °F)).
“Koude planeten zijn zeer zwak, en het grootste deel van hun emissie bevindt zich in het midden‑infrarood.
Hij is iets warmer en is massiever, maar lijkt meer op Jupiter dan op enige andere planeet die tot nu toe is gefotografeerd.”
Elisabeth Matthews van het Max‑Planck‑Instituut voor Astronomie in Duitsland.
Complexe moleculen in vormende planeten
Ondertussen zou de exoplanet K2‑18 b een Hycean‑exoplanet kunnen zijn, een planeet die potentieel een waterstof‑rijke atmosfeer en een water‑oceaan‑bedekte oppervlakte heeft.
Exoplaneten zoals K2‑18 b, die qua grootte tussen de aarde en Neptunus in liggen, bestaan nergens in ons zonnestelsel. Onze bevindingen onderstrepen het belang van het overwegen van diverse bewoonbare omgevingen in de zoektocht naar leven elders.”
Nikku Madhusudhan, astronoom aan de Universiteit van Cambridge
JWST vond ook verschillende koolstofverbindingen, en zelfs dimethyl‑sulfide in de atmosfeer van de planeet.
Bron: NASA
JWST vond voor het eerst buiten ons zonnestelsel ethaan (C₂H₆), evenals etheen (C₂H₄), propyne (C₃H₄), en de methylradicaal CH₃ rond een jonge ster.
Hij maakte ook de eerste detectie van zware elementen uit een sterfusie, wat resulteerde in de op één na helderste gamma‑ray‑burst ooit gedetecteerd, of een kilonova. De wetenschappers van JWST detecteerden telluur in de nasleep van de explosie.
Meest verre (oude) zwarte gat ooit gedetecteerd
In combinatie met NASA’s Chandra X‑ray Observatory detecteerde JWST een groeiend zwart gat slechts 470 miljoen jaar na de oerknal. JWST vond het sterrenstelsel, en Chandra het zwarte gat zelf.
Bron: NASA
We denken dat dit de eerste detectie is van een ‘Outsize Black Hole’ die direct is gevormd uit de ineenstorting van een enorme gaswolk.
Voor het eerst zien we een kortstondige fase waarin een superzwaar zwart gat ongeveer evenveel weegt als de sterren in zijn eigen sterrenstelsel voordat het achterblijft.”
Priyamvada Natarajan van Yale University
Toekomst van JWST
Na het vinden en analyseren van exoplaneten gaat JWST op zoek naar exomonden. We weten dat deze planetaire lichamen, in sommige gevallen groter dan de aarde, moeten bestaan, maar er was nooit een instrument gevoelig genoeg om ze te detecteren. Gasreuzen‑exoplaneten zoals Jupiter zijn belangrijke kandidaten.
JWST zal ook superzware zwarte gaten en quasars onderzoeken, zwarte gaten die uit hun polen spuiten met een snelheid van het licht en een ster‑waarde hoeveelheid materie. De telescoop zal zich richten op de zeer vroege exemplaren van deze ster‑fenomenen.
Tot slot kan het bestuderen van sterrenstelsels en grootschalige structuren van het universum in een zeer vroeg stadium nieuwe inzichten opleveren over de aard van donkere materie en donkere energie, die wetenschappers al decennialang ontglipt.
Hoofdaannemer van JWST
Northrop Grumman Aerospace Systems
NOC Prijsgrafiek
Een project als JWST is bijna altijd het resultaat van een internationale samenwerking, met, in dit geval, de deelname van NASA, ESA en het Canadese ruimteagentschap.
Het betrok ook veel contractanten uit de private sector, waarbij de meest prominente de lucht‑ en defensie‑onderneming Northrop Grumman was.
Northrop Grumman is het meest bekend geworden door de creatie van het iconische B‑2 stealth‑strategische bommenwerper, elk met een kostprijs van bijna een miljard dollar. Dit meer dan 20‑jaar‑oude ontwerp zal worden vervangen door de B‑21, die nog in ontwikkeling is.
(NOC )Het bedrijf staat ook aan de voorhoede van ruimtetechnologie, zoals geïllustreerd door zijn werk aan de state‑of‑the‑art James Webb Ruimtetelescoop. Het bedrijf haalt het grootste deel van zijn inkomsten uit ruimte‑ en luchtvaartsystemen.
Bron: Northrop
Een ander groot segment is de missiesystemen‑divisie, die een breed scala aan sensoren, cyberdefensie‑software, beveiligde communicatie, en C4ISR (Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance) omvat.
Het is ook een toonaangevende producent van munitie, van klein kaliber tot geleide projectielen en groot kaliber.
Northrop Grumman kijkt uit naar zijn positie als leverancier van geavanceerde wapens, met de ontwikkeling en inzet van autonome wapensystemen:
- X‑47B, een staartloze, strike‑fighter‑grootte onbemande luchtvaartuig.
- De helikopter‑drone Fire Scout.
- Surveillancedrones Global Hawk en MQ‑4C Triton.
- Maritieme drones Manta Ray en AQS‑24B/C Minehunting System.
- Bat Unmanned Aircraft System (UAS), multi‑missie, persistent en betaalbare tactische onbemande luchtvaartuig‑systemen.
Bron: Northrop
Het bedrijf staat aan de rand van de ontwikkeling van directe energie‑wapens (lasers), elektronische oorlogsvoering, anti‑drone‑systemen, en intercontinentale ballistische raketten.
Vanuit een investerings‑ en financieel oogpunt heeft Northrop Grumman zijn dividend met 12 % CAGR verhoogd sinds 2014, terwijl het aantal uitstaande aandelen met 31 % is verminderd. Dit resulteerde in $2,6 miljard aan dividenden en aandeleninkoop in 2023, terwijl het bedrijf $2,1 miljard aan vrije kasstroom genereerde.
Northrop Grumman haalt bijna uitsluitend zijn inkomsten uit het Amerikaanse defensiebudget, waarbij NASA 3 % van de inkomsten uitmaakt en internationale verkopen 12 %.
Bron: Northrop
Waar bedrijven als RTX en Lockheed het grootste deel van de vuurkracht van de Amerikaanse luchtmacht leveren (jachtvliegtuigen, raketten, luchtverdediging), levert Northrop Grumman de meest geavanceerde capaciteit, van de ruimte tot geïntegreerde commando‑ en stealth‑zware bommenwerpers.
En misschien binnenkort een aanzienlijk deel van de geavanceerde drones, elektronische oorlogsvoering en energie‑wapens.
Met het groeiende belang van drones en elektronische oorlogsvoering zal Northrop waarschijnlijk steeds centraler worden voor zowel de offensieve als defensieve capaciteiten van de VS. En zijn nieuwe stealth‑bommen zullen een sleutelrol spelen om het tempo bij te houden met peer‑adversaries zoals Rusland en China, waarbij de spanningen zeer hoog blijven.
