ロボットがジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の建造を支援 — 鏡のセグメント配置に参加
2022年1月、NASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、望遠鏡の主鏡を構成する18枚の六角形セグメントを3カ月かけて位置合わせする作業の準備を開始しました。このプロセスは、各セグメントを上方向にわずか12.5ミリメートル動かすことから始まります。
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、これまでに宇宙へ打ち上げられた中で最大の望遠鏡です。鏡のセグメントをすべて展開すると、テニスコート1面ほどの大きさになります。
「まずエンジニアは、主鏡のセグメントを動かして形状を整える126基のアクチュエーターと、副鏡を位置決めする6基のアクチュエーターに命令を送り、打ち上げ後も正常に動作することを確認しました。チームはまた、ウェッブの微調整用ステアリング鏡を微小に動かすアクチュエーターにも命令を送り、正常に動作することを確かめました。精密なステアリング鏡は、画像安定化プロセスにとって極めて重要です」とNASAは発表しました。
地上の管制チームは、主鏡と副鏡のセグメントに対し、打ち上げ時の収納形態から展開するよう指示を開始しました。セグメントは打ち上げ中の振動で動かないよう、ダンパーで強く固定されていました。これらの展開動作には少なくとも10日かかり、その後エンジニアは、セグメントが一体の鏡として機能するよう、3カ月間の位置合わせ作業を始めることができます。
NASAのエンジニアは、六角形の各部品を極めて高い精度で配置しなければなりませんでした。そのために、6方向に動かせるロボットアームを使用しました。このアームはPI USAが製作した専用のヘキサポッドで制御されました。ヘキサポッドはマニピュレーターの先端に取り付けられ、各部品が正しい位置にあることを確実にしました。
「鏡のセグメントの組み合わせが一枚の鏡として機能するためには、互いに数ミリメートルの範囲内に、なおかつ0.1ミリメートル単位の精度で配置されなければなりません。人間のオペレーターではこれほど正確に鏡を配置することはできないため、組み立て用のロボットシステムを開発しました」
部品の配置には、2つのエンジニアチームの同時作業が必要でした。最初の任務は、マニピュレーターの制御と望遠鏡の構造体の周りでの操作を担当することでした。
「そこに到達するには忍耐が必要です。コンピューターで制御される鏡のアクチュエーターは、ナノメートル単位で測られる極めて小さな動きを想定して設計されています。各鏡は驚くほどの精度で動かすことができ、調整幅はわずか10ナノメートル（人の髪の毛の幅の約1万分の1）です。今回は、センチメートル単位で動くために同じアクチュエーターを使っています。そのため、これらの初期展開は、宇宙でウェッブの鏡アクチュエーターが行うこれまでで最大の動きであることは間違いありません」
別のチームは、セグメントを設置し、ボルトで固定し、接着する際にレーザーを使って測定作業を行っていました。
「非常に正確な距離測定には、巻尺の代わりにレーザーが使われます。これらの測定に基づき、座標系を用いて主鏡の各セグメントを配置します。エンジニアは、望遠鏡の構造体上の正確な位置に、紙一枚の厚さの精度で鏡を動かすことができます」
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は2021年12月に打ち上げられました。宇宙での運用期間は少なくとも5年半を想定しています。ただし、NASAは理想的には10年間の運用を期待しています。
この望遠鏡は、ハッブル宇宙望遠鏡の成果を土台として設計・拡張されています。地球から約100万マイル離れた場所を周回し、宇宙で最初に形成された銀河のいくつかを観測します。
「鏡の制御システムは、一度に1つのアクチュエーターしか動かせないように設計されています。この方式は、制御用電子回路の複雑さを抑えられ、コンピューターとセンサーが個々のアクチュエーターの動作を注意深く監視できるため、より安全です。さらに、駆動モーターから非常に低温の望遠鏡の鏡に伝わる熱を抑えるため、各アクチュエーターは短時間しか動作できません。そのため、各セグメントの12.5ミリメートルという大きな動きは、一度に1つのアクチュエーターずつ行われる多数の短い動きに分割されます。ミッション運用センターから送られるスクリプトが、人間の監視のもとでこの工程を管理し、セグメント間を交互に、1つずつアクチュエーターをゆっくり着実に動かします。全速力でも、すべてのセグメントを合計わずか1ミリメートル動かすのに約1日かかります。これは草の伸びる速さとほぼ同じです。」
彼女によれば、望遠鏡の運用開始はそれほど華々しい時期ではないかもしれませんが、それで問題ありません。急ぐことはできません。鏡がゆっくり展開している間も、熱を宇宙の冷たさへ放射しながら、ゆっくり冷えていきます。
機器は段階的かつ慎重に管理された方法で冷却され、望遠鏡はL2に向かって滑らかに移動を続けています。これらの段階的なプロセスは、ゆっくりと着実に、毎日少しずつ科学者を最終目標である鏡の位置合わせへと近づけています。
