¿Cómo funciona el teléfono de casa del Telescopio James Webb?

Cuando se trata de maravillas de ingeniería como el Telescopio Espacial James Webb, la tecnología en cuestión es tan especializada que hay muy poco con lo que la persona promedio realmente pueda identificarse. Estamos hablando de un observatorio infrarrojo de $10 mil millones que opera a 50 K (−223 °C; −370 °F), a 1,5 millones de km (930 000 mi) de la Tierra; no esperaría exactamente compartir ninguna parte con una computadora. móvil normal.

Pero será más fácil para el público entender si ese es el caso. Por lo tanto, no es realmente sorprendente ver esta semana varios sitios de tecnología en los titulares sobre la “pequeña unidad de estado sólido” dentro del Telescopio Espacial James Webb. Quedaron asombrados por la capacidad del observatorio para ofrecer imágenes tan asombrosas con solo 68 GB de almacenamiento a bordo, una cantidad menor de lo que esperaría ver en un teléfono inteligente de gama media en estos días. El enfoque en la unidad de estado sólido (SSD) y su capacidad relativamente pequeña le dio a estos artículos un estándar que el público lego entendía fácilmente. Incluso si se trata de una comparación defectuosa, a los lectores se les ha ocurrido un hecho divertido sobre el enfriador de agua…Mi computadora tiene un disco más grande que el de James Webb. “

Por supuesto, sabemos que la NASA no acudió a eBay en busca de un Samsung EVO SSD obsoleto para unirse al observatorio espacial de próxima generación. La verdad es que la unidad de estado sólido, conocida formalmente como grabadora de estado sólido (SSR), fue diseñada específicamente para cumplir con los requisitos exactos de la misión JWST; Como cualquier otro componente de una nave espacial. Asimismo, su capacidad algo inusual de 68 GB no es solo un número arbitrario, se calculó precisamente debido a las necesidades de los instrumentos científicos a bordo.

Con tanta publicidad sobre la capacidad de almacenamiento del Telescopio Espacial James Webb, o la falta de ella, en las noticias, parecía un excelente momento para profundizar un poco más en este subsistema del observatorio. ¿Cómo se usa el SSR, cómo aterrizaron los ingenieros en esta amplitud específica y cómo se compara su diseño con los telescopios espaciales anteriores como el Hubble?

Alta velocidad en el espacio profundo

Las necesidades de comunicaciones del Telescopio Espacial James Webb presentaron a los ingenieros un desafío particularmente desalentador. Para lograr sus objetivos científicos, la nave espacial debe estar lejos de la Tierra, pero al mismo tiempo, se requiere una gran cantidad de ancho de banda para devolver todos los datos recopilados a tiempo.

Para facilitar esta transferencia de datos, JWST tiene una antena de alta ganancia (HGA) de 0,6 m (2 pies) en un soporte con bisagras que permite que se devuelva a la Tierra independientemente de la orientación actual del observatorio en el espacio. Este enlace de banda Ka proporciona un ancho de banda teórico máximo de 3,5 Mbps a través de la Red de espacio profundo (DSN) de la NASA, aunque la tasa de datos alcanzable real depende de muchos factores.

Antena de banda Ka de JWST (izquierda), junto a la antena de telemetría de banda S

Desafortunadamente, este enlace de alta velocidad a la Tierra no siempre está disponible, ya que el DSN necesita reconciliar las comunicaciones con muchas naves espaciales distantes. Con el uso actual de la red, a la ventana JWST se le asignan dos ventanas de cuatro horas cada día para la transmisión de datos. Sobre el papel, esto significa nave espacial debería Poder enviar algo más de 100 GB de datos a la Tierra en 24 horas, pero en la práctica hay otras cuestiones a tener en cuenta.

Por un lado, una antena de alta ganancia no puede rastrear constantemente el suelo, ya que su movimiento produce ligeras vibraciones que pueden arruinar las observaciones precisas. En cambio, se mueve cada 2,7 horas para mantener el planeta dentro del ancho del haz de la antena. Las notas sobre esto deben programarse siempre que sea posible, pero inevitablemente, eventualmente surgirá un conflicto. La transmisión de datos de alta velocidad deberá interrumpirse o la retroalimentación a largo plazo deberá pausarse mientras se realinea la antena. Los planificadores de la misión tendrán que sopesar cuidadosamente sus opciones, siendo probable que el factor crítico sea la importancia científica de la observación en cuestión.

También hay que tener en cuenta el tiempo de inactividad en ambos extremos del enlace. Es posible que el DSN no pueda recibir transmisiones temporalmente, o puede haber un problema a bordo de la nave espacial que le impide realizar transmisiones programadas regularmente. Entre los desafíos logísticos asociados con el enlace descendente estándar del observatorio y la posibilidad de demoras inesperadas en la comunicación, la única forma en que James Webb puede hacer observaciones las 24 horas es usar una gran memoria caché de datos a bordo del observatorio.

Tecnología de prueba de vuelo

SSR de 1,5 GB de Hubble

En el contexto de la informática personal, las unidades de estado sólido son un desarrollo relativamente nuevo. Pero la NASA ha sido muy consciente de las ventajas, a saber, el peso ligero y la falta de piezas móviles, durante décadas. La agencia espacial no es conocida por introducir conceptos no probados en misiones importantes, y esto no es diferente. Han utilizado un enfoque similar en el Telescopio Espacial Hubble desde 1999, cuando los astronautas de la misión del Tercer Servicio reemplazaron el almacenamiento original basado en cinta de la nave espacial con 1,5 gigabytes de SSR.

Por supuesto, la baja SSR del Hubble se debe, al menos en parte, a los tiempos. Pero aun así, esta fue una gran actualización, ya que las grabadoras que fueron reemplazadas por SSR solo podían almacenar alrededor de 150 MB. Recuerde que la resolución de las imágenes capturadas por Hubble es mucho más baja que la del JWST, pero las comunicaciones con naves espaciales en órbita terrestre son naturalmente mucho más confiables que las del espacio profundo.

Almacenamiento y reenvio

Finalmente, la NASA estima que James Webb debería poder enviar un poco más de 28 GB a través del DSN durante cada una de sus ventanas de dos veces al día. Para proporcionar un búfer completo de 24 horas, la nave espacial necesita alrededor de 60 gigabytes de almacenamiento a bordo. Entonces, ¿por qué SSR 68 GB? Esto se debe en parte al hecho de que se reserva un espacio para el uso del observatorio privado. Pero también porque, como explicó el ingeniero de sistemas aeroespaciales Alex Hunter a Espectro IEEEla capacidad adicional le da al sistema un respiro a medida que el desgaste y la radiación se desvanecen en la memoria flash SSR durante la próxima década.

Las 24 horas pueden no parecer una gran red de seguridad, pero hay muchas condiciones asociadas con este número. Dependiendo de qué herramientas científicas se utilicen realmente en James Webb, la cantidad real de datos generados cada día podría ser mucho menor. Si las comunicaciones de alta velocidad se ven obstaculizadas, es probable que los controladores de tierra pongan en espera la retroalimentación más intensiva en datos hasta que se resuelva el problema. Si es necesario, la NASA también puede asignar tiempo adicional en el DSN para trabajar con la acumulación. En resumen, existen suficientes contingencias para que la capacidad de SSR nunca se convierta en un problema.

Entonces, si bien es cierto que puede encontrar una unidad de estado sólido más grande en una Chromebook de gama media que la que la NASA envió recientemente en una misión de una década a bordo del Telescopio Espacial James Webb, una planificación cuidadosa y una buena dosis de la mejor ingeniería que el dinero puede comprar Quiero decir, el tamaño no lo es todo.

[Editor’s note: Yeah, we know that the graphic shows the JWST radiating from the telescope focus. I’ll take the blame for an insufficiently specific art request on this one. But you do have to admit that they look kinda superficially similar if you’re an artist and not a radio guy.]

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