Comment le télescope James Webb téléphone-t-il à la maison ?

Lorsqu’il s’agit d’une merveille d’ingénierie comme le télescope spatial James Webb, la technologie impliquée est si spécialisée qu’il y a peu de choses auxquelles une personne moyenne peut vraiment s’identifier. Nous parlons d’un observatoire infrarouge dont la construction a coûté 10 milliards de dollars et qui fonctionne à une température de 50 K (-223 ° C; -370 ° F), à 1,5 million de kilomètres (930 000 mi) de la Terre – vous ne vous attendriez pas exactement pour partager toutes les pièces avec votre ordinateur portable ordinaire.

Mais ce serait beaucoup plus facile pour le public de comprendre si c’était le cas. Il n’est donc vraiment pas surprenant que cette semaine, nous ayons vu plusieurs sites technologiques faire les gros titres sur le « petit disque SSD » à l’intérieur du télescope spatial James Webb. Ils se sont émerveillés de la capacité de l’observatoire à fournir des images aussi incroyables avec seulement 68 gigaoctets de stockage intégré, un chiffre inférieur à ce que vous vous attendez à voir sur un smartphone de milieu de gamme ces jours-ci. Se concentrer sur le lecteur à état solide (SSD) et sa capacité relativement faible a donné à ces articles une pierre de touche facile à saisir par un public grand public. Même s’il s’agissait d’une comparaison erronée, les lecteurs sont repartis avec un fait amusant pour le refroidisseur d’eau – « Mon ordinateur a un disque plus gros que le James Webb.”

Bien sûr, nous savons que la NASA n’a pas contacté eBay pour un SSD Samsung EVO obsolète à intégrer dans son observatoire spatial de nouvelle génération. La réalité est que le disque SSD, connu officiellement sous le nom de Solid State Recorder (SSR), a été construit sur mesure pour répondre aux exigences exactes de la mission du JWST ; comme tous les autres composants du vaisseau spatial. De même, sa capacité quelque peu inhabituelle de 68 Go n’est pas qu’un nombre arbitraire, elle a été précisément calculée compte tenu des besoins des instruments scientifiques à bord.

Avec tant de buzz sur la capacité de stockage du télescope spatial James Webb, ou son absence, dans les nouvelles, cela semblait être un excellent moment pour plonger un peu plus profondément dans ce sous-système particulier de l’observatoire. Comment le SSR est-il utilisé, comment les ingénieurs ont-ils atterri sur cette capacité spécifique et comment sa conception se compare-t-elle aux télescopes spatiaux précédents tels que Hubble ?

Haute vitesse dans l’espace lointain

Les besoins en communication du télescope spatial James Webb ont fourni aux ingénieurs un défi particulièrement redoutable. Pour atteindre ses objectifs scientifiques, le vaisseau spatial doit être situé loin de la Terre, mais en même temps, une quantité considérable de bande passante est nécessaire pour renvoyer toutes les données collectées en temps opportun.

Pour faciliter ce transfert de données, le JWST dispose d’une antenne à gain élevé (HGA) en bande Ka de 0,6 mètre (2 pieds) de diamètre sur un support articulé qui lui permet d’être pointé vers la Terre quelle que soit l’orientation actuelle de l’observatoire dans l’espace. Cette liaison en bande Ka fournit une bande passante maximale théorique de 3,5 Mbps via le Deep Space Network (DSN) de la NASA, bien que le débit de données réellement réalisable dépende de nombreux facteurs.

Antenne en bande Ka de JWST (à gauche), à ​​côté de l’antenne de télémétrie en bande S

Malheureusement, cette liaison à haut débit vers la Terre n’est pas toujours disponible, car le DSN doit jongler avec les communications avec de nombreux engins spatiaux lointains. Avec l’utilisation actuelle du réseau, le JWST s’est vu allouer deux fenêtres de quatre heures par jour pour la transmission des données. Sur le papier, cela signifie que le vaisseau spatial devrait pouvoir transmettre un peu plus de 100 Go de données vers la Terre en 24 heures, mais en pratique, il y a d’autres problèmes à prendre en compte.

D’une part, l’antenne à gain élevé ne peut pas suivre en permanence la Terre, car son mouvement produit de légères vibrations qui pourraient ruiner des observations délicates. Au lieu de cela, il est déplacé toutes les 2,7 heures pour maintenir la planète dans la largeur du faisceau de l’antenne. Les observations doivent être programmées autour de cela dans la mesure du possible, mais inévitablement, un conflit finira par survenir. Soit la transmission de données à grande vitesse devra être interrompue, soit les observations de longue durée devront être mises en pause pendant le réalignement de l’antenne. Les planificateurs de mission devront peser soigneusement leurs options, le facteur décisif étant probablement l’importance scientifique de l’observation en question.

Il y a aussi des temps d’arrêt à prendre en compte, aux deux extrémités du lien. Le DSN pourrait être temporairement incapable de recevoir des transmissions, ou il pourrait y avoir un problème à bord du vaisseau spatial qui l’empêche de faire sa diffusion régulière. Entre les défis logistiques associés à la liaison descendante standard de l’observatoire et la possibilité de retards de communication imprévus, le seul moyen pour James Webb de faire des observations 24 heures sur 24 est d’utiliser un important cache de données embarqué.

Technologie testée en vol

Le SSR de 1,5 Go de Hubble

Dans le contexte de l’informatique personnelle, les disques SSD sont un développement relativement nouveau. Mais la NASA est bien consciente des avantages, à savoir un poids plus léger et un manque de pièces mobiles, depuis des décennies. L’agence spatiale n’est pas connue pour déployer des concepts non testés sur des missions phares, et ce n’est pas différent. Ils utilisent une approche similaire sur le télescope spatial Hubble depuis 1999, lorsque les astronautes de la troisième mission d’entretien ont remplacé le stockage sur bande d’origine du vaisseau spatial par un SSR de 1,5 Go.

Naturellement, la capacité inférieure du SSR de Hubble est due, au moins en partie, à l’époque. Mais même quand même, c’était une mise à niveau considérable, car les magnétophones remplacés par le SSR ne pouvaient contenir qu’environ 150 Mo. Rappelons que la résolution des images capturées par Hubble est considérablement inférieure à celle du JWST, mais que les communications avec les engins spatiaux en orbite terrestre sont naturellement beaucoup plus fiables que celles dans l’espace lointain.

Stocker et transférer

Au total, la NASA estime que le James Webb devrait être capable de transmettre un peu plus de 28 Go via le DSN pendant chacune de ses fenêtres biquotidiennes. Pour fournir une mémoire tampon complète de 24 heures, le vaisseau spatial a donc besoin d’environ 60 Go de stockage à bord. Alors pourquoi le SSR est-il de 68 Go ? En partie parce qu’une partie de l’espace est réservée à l’usage propre de l’observatoire. Mais aussi parce que, comme l’a expliqué l’ingénieur des systèmes de vol Alex Hunter à Spectre IEEEla capacité supplémentaire donne au système une certaine marge de manœuvre alors que l’usure et les radiations réduisent la mémoire flash du SSR au cours de la prochaine décennie.

Cela peut ne pas sembler être 24 heures comme un filet de sécurité, mais il y a plusieurs conditions attachées à ce nombre. Selon les instruments scientifiques réellement utilisés sur le James Webb, la quantité réelle de données générées chaque jour pourrait être considérablement inférieure. Si les communications à grande vitesse sont entravées, les contrôleurs au sol mettront probablement les observations les plus gourmandes en données en attente jusqu’à ce que le problème soit résolu. Si nécessaire, la NASA pourrait également allouer du temps DSN supplémentaire pour traiter l’arriéré. En bref, il y a suffisamment de contingences en place pour que la capacité du SSR ne devienne jamais un problème.

Ainsi, bien que vous puissiez certainement trouver un disque SSD plus grand dans un Chromebook de milieu de gamme que celui que la NASA a récemment envoyé pour une mission d’une décennie à bord du télescope spatial James Webb – une planification minutieuse et une bonne dose de la meilleure ingénierie que l’argent peut acheter signifie que la taille n’est pas tout.

[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.]