Porównanie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba z mniejszymi komercyjnymi teleskopami obserwacyjnym

Głód wiedzy

Teraz już wiemy, czym jest światło, jak się je mierzy oraz jakie są widma światła. Nadszedł więc czas, aby porozmawiać o teleskopach, które mogą obserwować Ziemię i Wszechświat.
Teleskopy są naszymi „lepszymi oczami”, gdy chodzi o dostrzeganie rzeczy, których człowiek nie jest w stanie zobaczyć (lub jest to dla niego bardzo trudne). W tym artykule porównamy cztery teleskopy Scanway z najnowszym teleskopem NASA – Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba.

Początki obserwacji z kosmosu

Pierwszy teleskop został prawdopodobnie skonstruowany przez holenderskiego wytwórcę okularów Hansa Lippersheya w 1608 roku. Na początku teleskopy były – co nie dziwi – dość prymitywne. Minęło wiele lat, zanim zaczęły przypominać te, które znamy dzisiaj.

Pierwszym operacyjnym obserwatorium kosmicznym był amerykański Orbiting Astronomical Observatory 2, nazwany Stargazer, który został wyniesiony na orbitę 7 grudnia 1968 roku rakietą Atlas Centaur na niemal kołową orbitę o wysokości 768 × 777 km. Na pokładzie znajdowały się dwa główne zestawy instrumentów, które obserwowały Wszechświat w zakresie ultrafioletowym. Misja koncentrowała się przede wszystkim na obserwacjach planet, komet oraz galaktyk.

Prawdopodobnie najbardziej znanym teleskopem na świecie, o którym słyszał niemal każdy, jest Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Został on wyniesiony na orbitę 24 kwietnia 1990 roku na pokładzie wahadłowca Discovery podczas misji STS-31, ze stanowiska LC-39B w Kennedy Space Center, na orbitę o wysokości około 569 km. Misja naprawy wadliwego lustra została przeprowadzona w 1993 roku, a od tego czasu Hubble dostarczył ^{wiele bezcennych i słynnych na całym świecie obrazów} (np. Hubble Deep Field), rejestrowanych w różnych zakresach widma: podczerwieni, świetle widzialnym oraz ultrafiolecie.

Uważany za następcę Hubble’a Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (w skrócie JWST) jest wspólnym przedsięwzięciem przede wszystkim NASA, ESA oraz CSA. Po wielu latach opóźnień i przekroczeń budżetu teleskop został wystrzelony 25 grudnia 2021 roku z Guiana Space Centre na pokładzie rakiety Ariane 5. Po wymagającym starcie nastąpiła miesięczna podróż do miejsca docelowego na orbicie – punktu Lagrange’a L2 w układzie Ziemia–Słońce. Następnie przez kolejne pięć miesięcy uruchamiano instrumenty i schładzano je do odpowiednich temperatur. Pierwsze obrazy zostały opublikowane 12 lipca 2022 roku i natychmiast wywołały ogromną radość wśród astronomów. JWST obserwuje Wszechświat w zakresie podczerwieni i ma pomóc w odkrywaniu dotąd nieznanych zjawisk kosmicznych.

Obserwacje z kosmosu nie koncentrują się wyłącznie na planetach, kometach czy galaktykach, ale także na Ziemi. Najczęściej kojarzą się z prognozą pogody, usługami GPS, rozpoznaniem czy coraz popularniejszym internetem satelitarnym. Jednak obserwacje Ziemi z orbity mogą również pomagać w śledzeniu zmian zachodzących na naszej planecie (np. wylesiania, zanikania lodu czy rozwoju miast), wspierać rolnictwo poprzez analizę plonów lub pomiar wilgotności gleby, a także służyć bezpieczeństwu międzynarodowemu, umożliwiając obserwację obszarów przygranicznych. W tym artykule porównamy duży, kosztowny, ale niezwykle zaawansowany teleskop, jakim jest JWST, z mniejszymi i bardziej wszechstronnymi teleskopami zaprojektowanymi przez Scanway, które służą przede wszystkim obserwacji Ziemi.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webb’a

Teleskop został wyniesiony na orbitę rakietą Ariane 5, której osłona ładunku ma 5,4 metra średnicy i 17 metrów wysokości. Można więc przypuszczać, że to właśnie ona ograniczała rozmiar teleskopu – jednak tak nie było. Po oddzieleniu się od rakiety JWST, oprócz uruchamiania i chłodzenia instrumentów, rozpoczął proces rozkładania swoich elementów – m.in. paneli słonecznych do zasilania, osłony przeciwsłonecznej chroniącej przed promieniowaniem Słońca oraz – co najważniejsze – głównego i wtórnego zwierciadła. Ostateczne wymiary teleskopu przedstawiono na poniższym wykresie.

Oczywiście teleskop o takich rozmiarach i poziomie złożoności nie jest ani tani, ani łatwy w budowie. Początkowo planowano jego start w 2007 roku, a koszt projektu szacowano na jeden miliard dolarów. Ostatecznie teleskop został wystrzelony w 2021 roku, czyli czternaście lat później, a jego koszt był dziesięciokrotnie wyższy od pierwotnych założeń. Przy takim budżecie można by przypuszczać, że Webb potrafi zobaczyć i zrobić wszystko – jednak tak nie jest. Spójrzmy na zdjęcie poniżej wykonane przy użyciu ogromnego zwierciadła o powierzchni dwudziestu pięciu metrów kwadratowych. Choć jest ono niezwykle piękne, trzeba przyznać, że nie jest bardzo szczegółowe.

Gdyby był to obraz Ziemi, niemożliwe byłoby rozróżnienie rzek, jezior czy gór. Z pewnością byłoby to piękne zdjęcie – jednak nie byłoby zbyt użyteczne do celów rozpoznawczych. Nie każdy teleskop jest projektowany z myślą o każdym zastosowaniu.

Teleskopy Scanway-a

W Scanway zaprojektowaliśmy (lub jesteśmy w trakcie projektowania) cztery teleskopy. Podczas ich opracowywania skupiliśmy się nie tylko na możliwościach obserwacyjnych, ale również na rozmiarach, masie oraz wymaganiach dotyczących zasilania i kontroli termicznej.

• Teleskop o aperturze 20 cm dla misji EagleEye, który jest największym teleskopem obserwacyjnym w całości zaprojektowanym i zbudowanym w Polsce. Może być wykorzystywany do obserwacji rozwoju obszarów miejskich, monitorowania rolnictwa, rozpoznawania obiektów (np. samochodów i budynków) oraz do zastosowań obronnych (lokalizacji jednostek cywilnych i wojskowych).
• Teleskop o aperturze 12 cm dla konstelacji PIAST (Polish ImAging SaTellites). Jest to teleskop przeznaczony dla polskiej konstelacji satelitów obserwacji Ziemi o podwójnym zastosowaniu (dual-use) – może realizować zadania zarówno komercyjne, jak i wojskowe.
• Teleskop STAR o aperturze 5 cm dla misji STAR VIBE (Small Telescope for Advanced Reconnaissance). Jest to satelita obserwacji Ziemi przeznaczony do monitorowania katastrof naturalnych, zmian klimatycznych oraz wspierania rolnictwa.
• Teleskop o aperturze 6,5 cm (mieszczący się w standardzie 1U) dla misji DLR/GOS OTTER, w której teleskop będzie wizualnie weryfikował sygnały statków morskich.

Teleskop o aperturze 20 cm dla misji EagleEye

Jak wspomniano wcześniej, EagleEye to największy teleskop opracowany w Polsce. Jest to teleskop obserwujący w czterech pasmach spektralnych. Pierwsze trzy to RGB (Red, Green, Blue), czyli światło widzialne. Czwarte pasmo to NIR (Near Infrared), czyli bliska podczerwień, która jest przez obiekty na powierzchni Ziemi odbita lub pochłaniana, co pozwala uzyskać silny kontrast obrazu. Jest to kluczowe dla obrazowania o wysokiej rozdzielczości.

EagleEye został zaprojektowany do pracy na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) na wysokości 350 km, z okresem orbitalnym wynoszącym 1,52 godziny. Jego optyka umożliwia wspieranie rolnictwa (np. ocenę kondycji upraw i prognozowanie plonów), obserwację rozwoju obszarów miejskich oraz klasyfikację obiektów. Klasyfikacja obiektów może na przykład wspierać bezpieczeństwo narodowe, szczególnie w obszarach przygranicznych. Teleskop zaprojektowano w taki sposób, aby można było wymieniać sensory, co pozwala na pracę również w innych pasmach spektralnych, np. SWIR.

Rozdzielczość przestrzenna wynosi 1,2 m (czyli każdy piksel odpowiada obszarowi 1,2 × 1,2 m), a pole widzenia (FOV) to 4,9 × 3,7 km – obie wartości obliczone dla orbity na wysokości 350 km. Bardzo wysoka rozdzielczość przestrzenna oraz stosunkowo niewielkie pole widzenia oznaczają, że EagleEye może fotografować obszar odpowiadający około 2500 boisk piłkarskich Wembley w bardzo wysokiej rozdzielczości, co oznacza, że nasz teleskop może wspierać bardzo dokładne i szczegółowe pozyskiwanie danych.

Apertura wynosi 198 mm (czyli średnica otworu, przez który światło wpada do teleskopu), a ogniskowa ma 1585 mm. Światłosiła (stosunek ogniskowej do średnicy apertury) wynosi 8 – im wyższa ta wartość, tym krótsze czasy naświetlania są możliwe.

W przestrzeni kosmicznej masa i wymiary instrumentu mają kluczowe znaczenie. EagleEye mieści się w obudowie o wymiarach 430 × 346 × 295 mm i waży nieco poniżej 8 kg. Tak niewielka masa jak na teleskop o tak dużych możliwościach obserwacyjnych stanowi istotną zaletę, ponieważ koszt wyniesienia ładunku na orbitę rośnie wraz z jego masą.

Teleskop o aperturze 12 cm dla konstelacji PIAST

Jest to teleskop o charakterze dual-use, zaprojektowany tak, aby spełniał wymagania zarówno zastosowań wojskowych, jak i komercyjnych. Instrument przeznaczony jest do rozpoznawania i identyfikacji obiektów cywilnych oraz wojskowych w regionach o znaczeniu geopolitycznym, przy wysokiej rozdzielczości 5 metrów na piksel. Istotne jest również to, że wszystkie komponenty teleskopu będą produkowane w Polsce.

Konstelacja PIAST będzie operować na orbicie o wysokości 500 km i prowadzić obserwacje Ziemi w paśmie panchromatycznym (PAN), czyli w pojedynczym kanale obrazowania łączącym zakres widzialny: czerwony, zielony i niebieski. Pole widzenia instrumentu wynosi 20,5 × 15,4 km, natomiast apertura teleskopu to 120 mm, a ogniskowa 600 mm, co oznacza, że światłosiła układu wynosi f/5.

Aby ograniczyć koszty wyniesienia na orbitę oraz wymagania dotyczące przestrzeni na pokładzie satelity, teleskop zaprojektowano jako bardzo kompaktowy instrument. Jego masa wynosi zaledwie 1,8 kg, a całość mieści się w prostopadłościanie o wymiarach 250 × 150 × 150 mm.

Teleskop STAR o aperturze 5 cm

STAR to teleskop obserwacji Ziemi zdolny do wykonywania zobrazowań naszej planety w zakresie widzialnym. Dzięki swoim możliwościom może być wykorzystywany m.in. do monitorowania klęsk żywiołowych, analizy zmian klimatu oraz wspierania rolnictwa. Instrument został zaprojektowany do pracy na orbicie o wysokości 500 km, gdzie zapewnia rozdzielczość przestrzenną 25 m na piksel. W porównaniu z teleskopami EagleEye i PIAST, posiada on znacznie większe pole widzenia (obliczone dla orbity 500 km), wynoszące 102,4 × 76,8 km. Tak duże pole widzenia wynika z krótszej ogniskowej wynoszącej jedynie 106,6 mm. Dzięki temu możliwe jest znacznie szybsze prowadzenie zobrazowań dużych obszarów, ponieważ do pokrycia tej samej powierzchni potrzeba znacznie mniejszej liczby przelotów orbitalnych.

Ponieważ apertura teleskopu wynosi 50,8 mm, jego światłosiła to f/2,1, co oznacza, że instrument jest w stanie wykonywać zobrazowania nawet w warunkach ograniczonego oświetlenia.

Mimo swoich dużych możliwości obserwacyjnych, teleskop ma bardzo kompaktową konstrukcję – zajmuje jedynie 210 × 77 × 100 mm przestrzeni, a jego masa wynosi zaledwie 1,2 kg.

Scanway Optical Payload o aperturze 6,5 cm

Na koniec warto wspomnieć o Scanway Optical Payload 1U, który jest najmniejszym teleskopem w naszym portfolio pod względem wymiarów. Mimo kompaktowej konstrukcji i masy wynoszącej zaledwie 1,3 kg, jego możliwości są zdecydowanie większe, niż mogłoby się wydawać. Podczas nadchodzącej misji instrument zostanie wykorzystany do optycznej weryfikacji sygnałów statków morskich, które służą do określania ich położenia.

Teleskop będzie prowadził obserwacje powierzchni Ziemi w zakresie widzialnym – w pasmach RGB. Został zaprojektowany do pracy na niskiej orbicie LEO, na wysokości około 250–300 km. Dzięki tak niskiej orbicie oraz kompaktowej konstrukcji (instrument zajmuje jedynie 70 × 80 × 110 mm objętości) możliwe jest uzyskanie rozdzielczości przestrzennej około 10 m na piksel. Na jednym zobrazowaniu widoczny jest obszar o wymiarach 40 × 28 km, co pozwala szybko pokrywać duże obszary i prowadzić wstępną analizę danych. Apertura teleskopu wynosi 65 mm, a ogniskowa 196 mm, co przekłada się na światłosiłę nieco powyżej f/3.

Podsumowanie

Wszystkie nasze teleskopy mają kilka wspólnych parametrów technicznych. Rozdzielczość obrazu wynosi 12 Mpix dla każdego z instrumentów. Dane mogą być zapisywane w formacie 8, 10 lub 12 bitów, a obsługiwane interfejsy komunikacyjne to I²C, SPI oraz LVDS. Duży nacisk położyliśmy również na niskie zapotrzebowanie na energię – podczas obrazowania teleskopy potrzebują około 5 W mocy, przy zasilaniu 5 V lub 12 V. Zastosowana athermalna konstrukcja sprawia, że instrumenty są odporne na wahania temperatury, co ma kluczowe znaczenie w warunkach kosmicznych. Ponieważ wszystkie teleskopy są projektowane wewnętrznie, w oparciu o nasze autorskie rozwiązania optomechaniczne i optoelektroniczne, możemy stosunkowo łatwo wprowadzać modyfikacje zwiększające ich możliwości. Co więcej, samodzielne projektowanie zarówno części optycznej, jak i elektronicznej utwierdza nas w przekonaniu, że nasze instrumenty mogą niezawodnie pracować w wymagającym środowisku kosmicznym. Oprócz tych wspólnych cech nasze teleskopy łączy jeszcze jedno – zostały zaprojektowane tak, aby jak najlepiej odpowiadać na potrzeby klientów. Każdy teleskop jest w pewnym stopniu kompromisem pomiędzy wieloma parametrami konstrukcyjnymi, jednak patrząc na całość projektu, można powiedzieć jedno: w jakości obrazowania nie ma miejsca na kompromisy.

James Webb Space Telescope jest imponującym osiągnięciem w dziedzinie eksploracji kosmosu. Jednak w przypadku obserwacji Ziemi znacznie lepiej sprawdzają się teleskopy takie jak te rozwijane przez Scanway. Do pozyskiwania dokładnych danych o naszej planecie nie potrzeba teleskopu za 10 miliardów dolarów ani czternastoletniego opóźnienia w realizacji projektu – potrzebne są instrumenty zaprojektowane specjalnie do monitorowania Ziemi, zoptymalizowane pod kątem rozdzielczości, szybkości zbierania danych i efektywności misji.

If you have any further questions or are interested in our products, please feel free to contact us at space@scanway.pl.