Eén jaar geleden vond een perfecte lancering van de James Webb-ruimtetelescoop plaats
Een stem telde terug in het Frans van tien naar één en kondigde toen aan “décollage”, lift-off! De al 15 jaar durende samenwerking tussen NASA, ESA en de Canadese ruimtevaartorganisatie had zojuist haar meest kritieke punt bereikt: de lancering zelf. Of de James Webb-ruimtetelescoop ook daadwerkelijk de ruimte zou halen, hing af van wat er hierna zou gebeuren.
Access the video
“Op de dag van de lancering was de druk extreem hoog. We waren ervan overtuigd dat het zou lukken omdat we eigenlijk al 15 jaar voorbereiding hadden gehad, maar toch was de druk hoog na een lange lanceercampagne met een aantal technische problemen die we hadden moeten oplossen,” zegt Daniel de Chambure, hoofd van het ESA-kantoor in Kourou in Frans-Guyana en voormalig Ariane 5-projectmanager voor Webb.
Het is niet overdreven om te zeggen dat de hele wereld toekeek. Jaren van ontwikkeling en veelbelovende vooruitzichten maakten van Webb de langverwachte opvolger van de NASA/ESA Hubble-ruimtetelescoop. Webb was dan ook niets minder dan een 'Apollo-moment' voor de astronomie, een buitengewoon complexe en ambitieuze missie. De mensheid keek uit naar het volgende 'grote oog in de lucht', een enorme sprong in technologische mogelijkheden waardoor ons blikveld zou reiken tot aan de oorsprong van sterrenstelsels en sterren.
De hoop van een nieuwe generatie astronomen zat in de neuskegel van de door de ESA geleverde Ariane 5-raket die zojuist achter de wolken was verdwenen boven Europa's lanceerbasis in Kourou, Frans-Guyana.
Naar verwachting zou het opstijgen zelf ongeveer 30 minuten duren. De taak van Kourou zou voorbij zijn wanneer zij de bevestiging hadden gekregen dat Webb automatisch de zonnepaneel had ontvouwen, eigen energie genereerde en contact had gemaakt met het team van het Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Maryland, VS.
Repetities en simulaties
Massimo Stiavelli, die het Webb-missiebureau in Baltimore leidt, wist dat er veel op het spel stond: geen zonnepaneel, geen missie. In de jaren voorafgaand aan dit moment hadden Massimo en het vluchtoperatieteam van STScI keer op keer gerepeteerd wat ze met Webb moesten doen eenmaal in de ruimte. Deze repetities werden volledig met computers gesimuleerd waardoor ze heel echt aanvoelden. In het begin zou alles 'nominaal' zijn. Dit betekent dat het ruimtevaartuig zich zou gedragen zoals verwacht. Daarna begon het kleine team van ingenieurs dat de simulaties programmeerde met het introduceren van anonieme problemen die het vluchtteam moest detecteren en corrigeren.
“De engste ervaring was tijdens een simulatie waarbij het zonnepaneel niet openging. We draaiden dus op accu's en dan weet je dat je op een gegeven moment zonder energie komt te zitten," zegt Massimo.
Access the video
Tijdens deze simulatie probeerde het team van Massimo van alles. Ze stuurden handmatige commando's om het ontvouwen te bewerkstelligen. Toen dat niet werkte, begonnen ze met ‘een aantal dansbewegingen’ waarbij ze het ruimtevaartuig schudden in de hoop het paneel los te krijgen. Toen de tijd begon te dringen en het team werkelijk alle trucs uit de kast had gehaald, werkte de simulatie uiteindelijk mee en werd het paneel uitgeklapt.
“Dat was heel erg spannend, en iets wat we niet in de werkelijkheid zouden willen proberen,” zegt Massimo.
Maar voordat de vluchtuitvoerders het stokje konden overnemen, moesten Daniel en zijn team hun belofte nakomen om Webb veilig in een baan om de aarde te brengen.
De extreme precisie van de lancering
De dag begon vroeg. Daniel stond die kerstochtend om 04.00 uur op en ging op weg naar zijn werk waar hij vaststelde dat alles nog steeds in orde was met de lanceerraket op het platform. Anderhalf uur voor de lancering ging hij de hoofdcontrolekamer binnen en zag erop toe dat de laatste taken voor de lancering werden afgerond. Volgens de standaardprocedure moeten al deze laatste voorbereidingen veertig minuten voor de lancering klaar zijn. Daarna is het wachten geblazen voor het team.
“Je wordt een beetje nerveus omdat je moet wachten,” zegt hij. Om de spanning wat weg te nemen had hij een ontmoeting met de media om hun vragen te beantwoorden. Zeven minuten voor de lancering keerde hij terug naar de controlekamer en begon het aftellen.
Alles in dit stadium ging automatisch. Het vluchtoperatieteam concentreerde zich volledig op het monitoren van de status van de lanceerraket, klaar om af te breken als er iets mis zou gaan. Tijdens de laatste seconden vond de ontsteking plaats: eerst de hoofdmotor, zeven seconden later de aanjaagraketten.
De raket steeg op van het platform. De operators hielden de telemetriegegevens die de lanceerraket terugstuurde voortdurend in de gaten, op zoek naar zelfs de kleinste afwijking ten opzichte van de voorspellingen.
Het team volgde het opstijgen en de verschillende fases. Eerst werden de aanjaagraketten losgekoppeld, daarna opende de huls zich in twee helften zodat Webb op een hoogte van 110 km tevoorschijn kwam, daarna scheidde de eerste trap zich af, werd de tweede trap ontstoken en later uitgeschakeld. Tenslotte liet Ariane op een hoogte van 1400 km Webb los. De camera op de raket keek toe hoe de ruimtetelescoop wegdreef en de baan onderweg aanpaste. Een paar minuten later, toen deze precies op koers lag, ontvouwde Webb automatisch het zonnepaneel en begon het signalen te sturen naar Massimo's team in Baltimore. Daniel en zijn team hadden hun taak volbracht.
Maar zo ging het niet helemaal.
Access the video
Aangenomen werd dat tijdens de paar minuten die Webb nodig had om de baanmanoeuvre te berekenen en uit te voeren, het ruimtevaartuig uit het zicht van de camera van de raket zou raken en dat het ontvouwen van het zonnepaneel niet zichtbaar zou zijn. Maar 70 seconden na het loskoppelen ontvouwde het zonnepaneel zich.
In Kourou was het duidelijk waarom. De lancering van Ariane was zo precies verlopen dat de manoeuvre voor de positiecorrectie overbodig was. De software aan boord van Webb realiseerde dat, sloeg dit daarom over en ging door naar de volgende taak, namelijk het ontvouwen van het zonnepaneel en contact maken met Baltimore. Het was indrukwekkend om te zien hoe nauwkeurig de lancering was.
"Ik herinner me nog de reacties van de ESA- en NASA-collega's om me heen toen het gebeurde. Iedereen was enorm opgetogen,” zegt Daniel.
Speciale aanpassingen
De extreme nauwkeurigheid van de baaninjectie bij de loskoppeling was het resultaat van een paar extra dingen die het Kourou-team had gedaan. Ten eerste werd besloten de Inertial Management Units (IMU's) van de lanceerraket zo kort mogelijk voor de lancering zelf te kalibreren. Deze apparaten geven informatie over de bewegingen van de raket die wordt gebruikt voor de onboard-berekeningen die de geleidingssystemen aansturen. Omdat deze zo zorgvuldig waren gekalibreerd, wist Ariane 5 precies waar het zich bevond en waar het naartoe ging.
Ten tweede heeft het team zeer zorgvuldig de koppeling en uitlijning van de versnellingsraketten van de bovenste trap afgestemd, zodat er na de ontsteking van de bovenste trap geen jitter optrad en de trajectbaan ongestoord bleef.
Behalve de trajectbaan heeft het team nog een speciale aanpassing gedaan, deze keer om Webb zelf te beschermen. NASA was uiterst bezorgd dat eventuele restatmosfeer in de neuskegel ertoe zou leiden dat luchtbellen, opgesloten in het opgevouwen zonneschild, zouden uitzetten en de delicate zonneschildlagen van de telescoop zouden afscheuren. Daarom heeft ESA een systeem ontwikkeld dat de laatste luchtmoleculen uit de neuskegel forceert voordat het hulsel zich opent en Webb aan het vacuüm van de ruimte wordt blootgesteld. “Wij vonden het ook een enorme prestatie dat de restdruk ruim onder de norm lag na verschillende demonstraties op eerdere Ariane 5-vluchten,” aldus Daniel.
Hoewel pas later werd bevestigd dat dit systeem had gewerkt toen het zonneschild werd uitgerold en onbeschadigd bleek, was het vroege ontvouwen van het zonnepaneel onmiddellijk duidelijk voor het team. Toch werd de echte waarde van de extreme injectienauwkeurigheid van de lanceerraket pas die avond bekend, toen het Baltimore-team het ruimtevaartuig het bevel gaf nogmaals een manoeuvre uit te voeren.
Massimo had dienst terwijl ze voorbereidingen troffen voor middenbaancorrectie 1a. Dit was het essentiële extra zetje om te garanderen dat Webb met succes de definitieve positie op 1,5 miljoen km van de aarde zou bereiken. Om de noodzakelijke ontstekingsduur te berekenen werd Webb bijna 12 uur lang gevolgd, waarna het vluchtdynamicateam van NASA's Goddard Space Flight Center zich over de cijfers boog. Op dat moment werd de omvang van de prestatie van Ariane pas echt duidelijk.
De baaninjectie was zo nauwkeurig, dat de ontsteking niet zo lang zou duren als verwacht. “We wisten toen al dat we extra brandstof zouden hebben,” zegt Massimo.
Na de manoeuvre begonnen ze opnieuw te volgen en te rekenen. Het bleek dat de bespaarde brandstof nu kon worden gebruikt om Webb in deoperationele baan te houden en zo de levensduur van de missie te verlengen.
Tekst gaat door na slider
Dubbel zoveel wetenschap, dubbel zoveel ontdekkingen
Toen de berekeningen klaar waren, kondigde NASA aan dat dankzij ESA en haar contribuerende partners, Arianespace, ArianeGroup en de CNES, de levensduur van Webb nu verdubbeld was. In plaats van een missie van 10 jaar had Webb nu genoeg brandstof aan boord om 20 jaar operationeel te blijven. Dubbel zoveel observaties, dubbel zoveel wetenschap, dubbel zoveel ontdekkingen.
Door van een routinelancering het mooiste moment van Ariane 5 te maken, had het Europese team de volgende grote sprong van de mensheid naar een beter begrip van haar oorsprong verdubbeld.
“Dit was een prachtig moment en een beloning voor ons allemaal, vooral na alle bedankjes van het NASA Webb-projectteam,” zegt Daniel.
Op dat moment was de feestvreugde echter nogal gematigd. Op die eerste kerstdag 2021 wilden de meeste mensen graag naar huis, naar hun familie. Maar de herinneringen aan wat ze die dag hadden bereikt, zijn nog steeds levendig.
“Je ziet op de basis dat mensen heel trots zijn dat ze Webb hebben gelanceerd. Je ziet ze nog steeds hun Webb-poloshirt dragen,” zegt Daniel. En in de bescheiden wereld van ruimtevaartoperaties is er geen duidelijker blijk van trots dan dat.
Meer informatie
Webb is de grootste en krachtigste telescoop die ooit in de ruimte is gelanceerd. In het kader van een internationale samenwerkingsovereenkomst heeft ESA de lancering van de telescoop verzorgd met behulp van de Ariane 5-draagraket. Gedurende de samenwerking met de partners was ESA verantwoordelijk voor de ontwikkeling en kwalificatie van de aanpassingen aan Ariane 5 voor de Webb-missie en voor de aankoop van de lanceerdienst door Arianespace. ESA leverde ook de krachtige spectrograaf NIRSpec en 50% van het middel-infrarood instrument MIRI, dat is ontworpen en gebouwd door een consortium van nationaal gefinancierde Europese instituten (het MIRI European Consortium) in samenwerking met het Laboratorium voor Straalaandrijving van NASA (JPL) en de Universiteit van Arizona. De Webb is een internationaal samenwerkingsverband van NASA, ESA en het Canadese ruimtevaartagentschap.