Dlouhá a trnitá cesta k Vesmírnému dalekohledu Jamese Webba

Kořeny Vesmírného dalekohledu Jamese Webba (neboli James Webb Space Telescope, JWST), lze při troše dobré vůle vystopovat až do roku 1977. Tehdy se na půdě Jet Propulsion Laboratory v kalifornské Pasadeně realizovala studie budoucího velkého teleskopu se zrcadlem o průměru 10–12 m: Mělo jít o nástupce Hubbleova vesmírného dalekohledu (alias Hubble Space Telescope, HST), který se ovšem nacházel teprve v prvopočátcích vývoje. Nicméně vědci a technici NASA se již tehdy „dívali za horizont“ a řešili budoucí směrování kosmické astronomie. Výstupem zmíněné studie se stal teleskop Large Deployable Reflector, LDR, u něhož se problém s výrobou a vynesením hlavního zrcadla na oběžnou dráhu řešil složením z desítek šestiúhelníkových segmentů.

Raketoplán to zvládne

Skládací zrcadlo, které se nakonec u JWST skutečně uplatnilo, bohužel nepředstavovalo recept na všechny problémy. Značně rozměrný přístroj se totiž musel vtěsnat do nákladového prostoru raketoplánu o průměru 4,3 m a délce 18,3 m. Americká kosmonautika v té době razila filozofii „všechno na raketoplán“ a klasické nosiče opouštěla. Bylo tedy jasné, že budoucí teleskop musí za každou cenu využít uvedený dopravní prostředek.

Nakonec se ovšem našlo šalamounské řešení. S omezením rozměrů nákladového prostoru nebyl spokojený ani jeden z největších zamýšlených uživatelů raketoplánů, a sice americké letectvo. Už v 70. letech proto rozvíjelo projekt, který by umožnil létat s rozměrnějšími aparaturami, a dospělo k velmi neortodoxní myšlence – umístit náklad na špici vnější odhazovací nádrže, jež by se prodloužila, získala by aerodynamický kryt, a právě pod ním by mohlo spočívat vynášené zařízení. Kryt mohl mít průměr jako vlastní nádrž, tedy 8,4 m, nebo být dokonce širší: Letectvo zpracovalo studii na průměry vynášeného nákladu 7,6 m a 10,6 m. Při použití takto modifikované součásti sestavy by raketoplán samozřejmě nemohl nést žádné vybavení v nákladovém prostoru – všechna jeho energie by šla na dopravení nestandardní nádrže i s nákladem na oběžnou dráhu.

A pak se nabízela ještě možnost použít „nákladní raketoplán“. Zatímco klasický vesmírný letoun měl kabinu pro posádku, nákladový prostor, tepelný štít či křídla, jeho zvažovaný protějšek by dostal do vínku jen motorovou sekci. Vznikl by tak supernosič s kapacitou 70–80 tun nákladu, zcela dostačující pro mimořádné mise, i když drahý: kyslíko-vodíkové motory běžně určené k opakovanému použití by se totiž zahazovaly. Nákladový prostor by ovšem mohl mít jakýkoliv tvar, přičemž mezi zvažované podoby patřil i disk o průměru 20 m, pro vynesení zrcadla velkého teleskopu jako stvořený.

Bude teleskop na Měsíci?

V 80. letech panovalo okolo budoucího kosmického teleskopu ticho po pěšině, neboť NASA měla jiné starosti: uvedení raketoplánů do provozu, následnou havárii Challengeru, začínající program kosmické stanice a v neposlední řadě i vývoj Hubbleova dalekohledu. Teprve v září 1989 se v Marylandu konal workshop s výmluvným názvem The Next Generation Space Telescope (NGST), tedy „kosmický teleskop příští generace“, kde byly položeny základy Webbova dalekohledu.

Na akci se sešli vědci, technici, manažeři NASA i zástupci kontraktorů a řešili, jak by mohl teleskop s plánovaným vypuštěním kolem roku 2005 vypadat. Jaké ponese přístroje? Jaké bude mít rozměry? Jak ho dostat na oběžnou dráhu? A na jakou? Tisíce otázek, málo odpovědí. Výstup workshopu každopádně zněl, že pro NGST aktuálně nejsou k dispozici technologie a že není možné připravit optickou soustavu požadované kvality, která by celý projekt ospravedlnila. Přístroje, jimiž měla být observatoř vybavena, zkrátka nešlo v roce 1989 vyrobit. Přesto se měly práce postupně rozjet – vždyť do startu zbývalo ještě šestnáct let. Všichni věřili v technologický pokrok a v to, že bude potřebná technika dostupná již v následující dekádě.

Na zmíněném workshopu rovněž zaznělo, že se nízká oběžná dráha pro budoucí teleskop nehodí, a jakákoliv vyšší zase znamenala problém pro předpokládaný servis zajišťovaný astronauty. Volba proto padla na lunární povrch. Jen o několik týdnů dřív, v červenci 1989, totiž prezident George Bush vyhlásil program Space Exploration Initiative, v jehož rámci se měli lidé vrátit na Měsíc. Teleskop na povrchu zemského souputníka tudíž tvořil součást popsané iniciativy. Zrcadlo mělo mít průměr 10–16 m a servis by čas od času obstaraly přilétající posádky. Přes den měl zařízení krýt přístřešek na kolejích a pozorování by se odehrávala po dobu lunární noci, tedy vždy zhruba 14 pozemských dní. Šlo hlavně o udržení co nejnižší teploty, kvůli níž má současný JWST rozměrné tepelné štíty.

Projekt pomalu ožívá

V 90. letech se začala pod taktovkou Goddard Space Flight Center a za pomoci průmyslových partnerů jako TRW, Ball či Lockheed rozpracovávat podoba a cena budoucího teleskopu. Projekt však nepatřil mezi priority: NASA se potýkala s radikálním snižováním rozpočtu, navíc zahajovala spolupráci s Ruskem, která naopak významnou část financí polykala, a pomalu se rodila i Mezinárodní vesmírná stanice. Připočteme-li úvodní blamáž se špatně vybroušeným zrcadlem Hubbleova teleskopu, bylo jasné, že s astronomickou super­observatoří bude lepší počkat.

Znovu se o ní začalo hovořit až na přelomu let 1997 a 1998. Hubble po opravářské misi prokázal svůj význam a zároveň vrcholil program velkých astronomických observatoří: V jeho rámci zamířil v roce 1990 do kosmu právě HST určený pro studium ve viditelném a infračerveném oboru, dále Compton (1991) pro sledování tvrdého rentgenového a gama-záření, Chandra (1999) pro oblast měkkého rentgenového záření, a nakonec i Spitzer (2003) pracující v infračerveném spektru. Vývoj teleskopu příští generace měl začít v roce 2003 a se startem se počítalo o čtyři až pět let později. Odhad nákladů se původně pohyboval pouze okolo 500 milionů dolarů, později vzrostl na miliardu.

Cesta se tedy pomalu otevírala a zbývalo vyřešit podobu budoucího přístroje. Vznikly čtyři na sobě nezávislé studie: Goddard Space Flight Center NASA počítalo se zrcadlem o průměru osmi metrů a s rozkládacím štítem z pevných panelů, který měl přístrojovému vybavení garantovat teplotu v rozmezí −183 °C až −223 °C. Firma Ball Aerospace také preferovala osmimetrové primární zrcadlo a tepelnou ochranu ze čtyř fóliových štítů. Návrh od Lockheed Martin se zrcadlem o průměru šest metrů a s klasickým tubusem byl nejkonzervativnější. Nakonec společnost TRW představila projekt zahrnující pět ochranných fólií a čtyřmetrové zrcadlo tvořené šesti šestiúhelníky.

Z každého návrhu se nakonec uplatnilo něco a v roce 1999 mohla NASA prezentovat budoucí přístroj s osmimetrovým zrcadlem, tvořeným 36 segmenty, jenže… Jeho hmotnost se měla pohybovat v desítkách tun, což bylo nerealistické z mnoha důvodů, od problémů s nosičem až po stabilizaci či jiné operace na oběžné dráze. Teleskop měl každopádně představovat ohromnou technologickou výzvu a NASA zůstávala i po zkušenostech s Hubblem opatrná. Bylo jasné, že s novými technologiemi nejspíš nepůjde vše napoprvé, takže by bylo dobré je nejprve odzkoušet. Proto se v roce 2000 zrodil demonstrátor Nexus Space Telescope, jenž by se dal s odstupem času označit jako „Webb Junior“. Měl prověřit fungování zrcadel (nesl by jen tři), jejich aretaci, rozkládání ochranných štítů i tepelnou regulaci.

Ve stadiu klinické smrti

V roce 2002 vybrala americká kosmická agentura společnost TRW jako hlavního dodavatele zařízení nově pojmenovaného Vesmírný dalekohled Jamese Webba, přičemž cenový strop byl stanoven na 2,5 miliardy dolarů a se startem se počítalo kolem roku 2011. O rok později však TRW pohltila firma Northrop Grumman, nicméně tou dobou se již intenzivně vyvíjely nové technologie a mimo jiné se řešil materiál zrcadel – mezi beryliem a nízkorozpínavým sklem nakonec padla volba na první zmíněné. Souběžně se definovala podoba astronomického přístroje: Nejprve se počítalo se zrcadlem o průměru 6–8 m, ovšem testy, výzkum a vývoj poukázaly na optimální hodnotu 6,5 m.

Program se však záhy dostal do potíží, byl špatně řízený a rozpočet rostl. Aby se alespoň opticky ušetřily nějaké prostředky, škrtla NASA demonstrační misi Nexus. V roce 2007 pak přizvala ke spolupráci Evropskou kosmickou agenturu, jež měla dodat raketu Ariane 5 a také 1,5 přístroje ze čtyř, dále obslužný personál, know-how i zkušenosti. Přesto se růstu nákladů nepodařilo zabránit. V roce 2010 byl rozpočet výrazně překročen a interní studie NASA uváděla, že se program musí urychleně podpořit injekcí ve výši 1,5 miliardy dolarů, což téměř odpovídalo původnímu rozpočtu. Očekávané náklady překračovaly šest miliard dolarů a otevřeně se hovořilo o tom, že se Webbův teleskop nachází ve stadiu klinické smrti.

Šestého července 2011 zasedal výbor pro vědu při Sněmovně reprezentantů a doporučil projekt okamžitě zastavit a zrušit. Byl předražený, nezvládnutý, technicky „mimo“, a přitom nikdo nevěděl, kolik peněz ještě spolkne ani kdy se poletí. Přesto NASA nakonec zahájila „záchrannou misi“: Rozhodla se rozvolnit tempo prací, start nově nasměrovala do roku 2018 a cenový strop byl stanoven na 8,7 miliardy dolarů. Kongres přidal stovky milionů a kosmická agentura uvolnila svoje rezervní fondy. Zlé jazyky tvrdily, že šlo o záměr – čím je projekt dražší a čím víc se do něj investovalo, tím hůř se ruší.

Přes překážky ke hvězdám

V roce 2011, tedy deset let před startem, bylo hotovo 75 % letového hardwaru. Následovaly roky zkoušek, integrací a testů. Došlo k odhalení problémů s poškozenou elektroinstalací či s mechanickými prvky, jež hrály klíčovou roli ve správném rozložení přístroje v kosmu. Když byl teleskop konečně hotový, projevily se potíže s jeho chováním ve vakuově-tepelné komoře. Start se neustále odkládal, Webb se proměnil v „nekonečný příběh“. Ani již téměř finální datum vynesení do kosmu v březnu 2021 nebylo možné dodržet, a to kvůli pandemii covidu, která si v roce 2020 vynutila 50% snížení stavu personálu zapojeného do kompletování a zkoušek přístroje.

V květnu téhož roku inženýři z Northrop Grumman úspěšně otestovali důležitou část konstrukce JWST, označovanou jako Deployable Tower Assembly. Hlavním úkolem zmíněného dílu bylo vytvořit dostatečně velkou mezeru mezi horní částí observatoře, tedy pozlacenými zrcadly s vědeckými přístroji, a spodní sekcí, kde se nachází o poznání teplejší elektronika a pohonný systém. Díky mezeře mezi nimi může aktivní i pasivní chladicí systém teleskopu mnohem snáz ochladit zrcadla a senzory na mimořádně nízké teploty, nutné pro optimální vědecký výzkum. Den D pro Webbův teleskop nakonec nadešel 25. prosince 2021, kdy se nám po dekádách peripetií otevřel úplně nový vesmír.