Hva skjedde egentlig ved Arecibo-teleskopet?

 I desember 2020 kollapset Arecibo-teleskopet – et av de største og mest ikoniske astronomiske instrumentene i verden. Denne 57 år gamle megastrukturen gjorde ikke bare mange utrolige vitenskapelige funn i løpet av sin levetid, den var også et symbol på menneskehetens interesse og nysgjerrighet rundt vår plass i universet. Tapet føltes over hele verden. National Science Foundation, som eier observatoriet, ga nylig ut sin rapport til kongressen om årsaken til fiaskoen og hendelsene som førte til den. Hvorfor var dette teleskopet så viktig, hvordan fungerte det, og hvorfor mislyktes det? Jeg er Grady, og dette er praktisk ingeniørarbeid. I dag diskuterer vi Arecibo-teleskopets .

På samme måte som vi observerer synlig lys fra himmelobjekter ved hjelp av øynene og optiske teleskoper, kan vi også dra nytte av de andre delene av det elektromagnetiske spekteret i astronomi. De fleste av gammastrålene, røntgenstrålene, ultrafiolette og infrarøde deler av spekteret er blokkert av atmosfæren. Men radiobølger med lang bølgelengde er det ikke. Et radioteleskop er i utgangspunktet en antenne som kan stille inn noen frekvenser av elektromagnetisk stråling som stammer fra himmelobjekter. Disse radiobølgene kan være ganske svake, og kompliserer oppgaven med å skille dem fra bakgrunnsstøyen. Du har egentlig to alternativer for å få data av radioastronomi av høy kvalitet: mer tid eller mer plass. Jo lenger du fokuserer på et objekt, jo mer oppløsning får du. Men det er bare så mye tid. For å få fart på observasjonene,du kan også samle radiobølger fra et større område og fokusere dem til et tydeligere signal. Arecibo tok den strategien til det ekstreme med den 305 meter store (eller 1000 fot) diameteren – den største i verden til Kinas halvt kilometer RASKE omfang tok tittelen i 2016. 

Arecibo-observatoriet ligger på den karibiske øya Puerto Rico, og ble designet og konstruert på 1950- og 60-tallet som en avdeling for forsvarsprosjekt for å oppdage atomstridshoder i den øvre atmosfæren. National Science Foundation overtok anlegget i 1969 for å bruke det til mer fredelige bestrebelser, med hjelp fra noen få administrerende partnere gjennom årene. En stor del av Arecibos oppdrag er utdanning og oppsøkende programmer for å engasjere publikums interesse for astronomi og atmosfæriske vitenskaper. Hvis du vokste opp i Puerto Rico, besøkte du nesten dette utrolige anlegget på en feltreise eller to eller tre. Den mest ikoniske delen av observatoriet var det massive radioteleskopet. Ikke bare kunne den motta de svakeste radiosignalene, den kunne også overføre dem, slik at Arecibo kunne fungere som en himmelsk radar.Den kunne sende ut radiosignaler og måle de returnerende ekkoene fra objekter i nærheten i rommet, inkludert planeter og asteroider. Arecibo la til rette for noen av de mest spennende astronomiske funnene i vår tidsalder, inkludert Nobelprisen som vant observasjon av binære pulsarer som ga det første beviset på gravitasjonsbølger.

Teleskopets tallerken ble konstruert inne i et enormt sirkulært synkehull. Selv om den ser solid ut på avstand, var reflektoren en serie aluminiumsplater forsiktig hengt opp på stålkabler. Fordi parabolen var festet til jorden, ble den begrenset til å peke på hvilken del av himmelen som skjedde. Radioteleskoper kan brukes på dagtid og natt – så det er mer himmel å se på i løpet av en dag eller et år – men et teleskop som ikke kan styre er fremdeles ganske ubrukelig. Designerne av Arecibo hadde en ganske smart løsning på problemet. I stedet for å bruke en parabolisk form for retten som ville fokusere alt til et enkelt punkt, valgte de en sfærisk kurve. Sfæriske reflekser fokuserer ikke perfekt på alle innkommende stråler.Det kan høres ut som en dårlig ting siden du vil samle og fokusere så mye signal som mulig over hele parabolen. Det fine med en sfærisk reflektor er at ved å endre posisjonen du måler de reflekterte bølgene over parabolen, måler du bølgene fra forskjellige deler av himmelen. Du kan i det vesentlige styre teleskopet ved å velge hvor du skal motta radiobølger over parabolen, slik at du kan fokusere på forskjellige gjenstander og spore dem når jorden roterer.slik at du kan fokusere på forskjellige objekter og spore dem når jorden roterer.slik at du kan fokusere på forskjellige objekter og spore dem når jorden roterer.

Å fokusere disse bølgene til et smalt område over parabolen gjør ikke så mye med mindre du har en mottaker der oppe for å samle og måle dem. Arecibo-teleskopet ble designet med en trekantet plattform hengt opp av stålkabler over fatet for å de forskjellige instrumentene som ble brukt til å samle radiosignaler. For å holde plattformen oppe støttet tre armerte betongtårn, oppkalt etter sine posisjoner på en klokke på 4, 8 og 12, hver gruppe kabler. Det var opprinnelig 4 kabler for hvert hjørne av plattformen, 8 cm i diameter. Store kabler. Ytterligere kabler, kalt bakstasjoner, ble koblet til forankringer bak hvert tårn for å balansere de horisontale kreftene, på lik linje med hvordan hengebroer fungerer med tårnene og ankerforankringene.

Opprinnelig brukte teleskopet linjemater, langstrakte mottakere som kunne samle signaler innenfor brennlinjen til den sfæriske retten. Men de kunne bare måle signaler innenfor en smal båndbredde, så linjefeeds måtte byttes for å endre frekvensen til teleskopet. Oppgraderinger i 1997 inkluderte tillegg av den gregorianske kuppelen som bruker to ekstra reflekser for å fokusere radiobølger. Denne kuppelen tillot teleskopoperatører å observere et mye bredere spekter av radiofrekvenser. Men denne gregorianske kuppelen la ikke bare til evner. Det la også vekt – mye vekt – rundt 50 prosentav den originale plattformen. All denne ekstra belastningen krevde litt mer støtte. Så to hjelpekabler fra plattformen til hvert tårn ble lagt til, pluss flere bakgrunner for å balansere belastningen. I tillegg til det var kuppelen langt mer følsom for bittesmå bevegelser. Du kan forestille deg stivheten og stivheten til en gigantisk vindfangende kuppel hengt opp i luften av smale stålkabler – ikke et ideelt strukturelt arrangement for et følsomt instrument. For å kompensere ble tre festekabler lagt til, en for hvert hjørne av plattformen, noe som økte kreftene ytterligere. Et laseromfattende system kan kommunisere med hydrauliske jekker for nøye å justere spenningen i disse bindingene og holde plattformen perfekt stabil innenfor presisjonen til en millimeter.

Teleskopets siste år var ganske grovt. Atlanterhavets orkansesong 2017 sendte to massive stormer – Irma og Maria – over Puerto Rico. Maria var en av de sterkeste stormene noensinne som rammet øya og forårsaket nesten 3000 omkomne og nærmere 100 milliarder dollar i skade. Arecibo ble ikke skånet for den ødeleggelsen. Den fikk et ødelagt linjefôr som falt fra instrumentplattformen og krasjet gjennom parabolen, blant andre skader. Mer konsekvens enn , Arecibo mistet sakte finansieringen. National Science Foundation hadde i mange år prøvd å avlede Arecibo-midler til nyere prosjekter. I 2018 trappet University of Central Florida opp for å overta ledelsen og finansieringen av observatorium, uten å vite hva som snart skulle komme.

Bare noen få år senere, i august 2020, brøt en av de nyere hjelpekablene på Tower 4 uventet fra stikkontakten midt på natten. Da kabelen sviktet, styrtet den gjennom reflektorskålen og rev en gash gjennom aluminiumsplatene. Disse stikkontaktene, kalt spelteruttak, som brukes til å feste kablene til tårnet, er en vanlig måte å avslutte ståltau og kabler på, men de må installeres riktig. Du må kvele enden av kabelen, og sørge for at hver streng er skilt fra de andre, rengjør dem nøye, hell deretter smeltet sink forsiktig inn i stikkontakten for å skape en permanent kile som bare blir strammere med mer spenning. Hvis det gjøres riktig, bør termineringen være sterkere enn selve kabelen. Det er med andre ord ingen god grunn til at en kabel noen gang skal trekke ut av en stavuttak. Og likevel,dette var ikke den første hendelsen med kabler som skled i stikkontaktene på Arecibo. Vedlikeholdspersonell ved observatoriet hadde vært bekymret for problemet i årevis. Denne feilen var begynnelsen på slutten av teleskopet, selv om vi ikke visste det ennå.

Skadene fra den mislykkede kabelen var betydelig, men ingeniørene tok med seg for å vurdere strukturen mente den kunne repareres. Den suspenderte plattformen ble designet med litt redundans, så det å miste en enkelt kabel var ikke nødvendigvis katastrofalt. Ledere setter en midlertidig stopp for vitenskapen på anlegget mens et saneringsprosjekt kunne installeres. Men først måtte den utformes. Som et første trinn utviklet ingeniører en strukturell datamodell av plattformen og tårnene for å evaluere alternativer for reparasjon.

Et fint aspekt ved kabelsupporterte strukturer er at du kan estimere spenningen i hver enkelt bare ved å se på den. Alle kabler henger under egen vekt, etter en kurve kalt en ledning. Jo mer spenning i kabelen, desto strammere blir den, og desto mindre synker den. Hvis du kjenner vekten på kabelen, kan du bruke ledningsligningen med den målte sagavstanden for å estimere kabelkraften ganske nøyaktig. En sagundersøkelse ble utført på Arecibo ved bruk av , og det var slik konstruksjonsmodellen ble kalibrert. For å sikre at modellen kunne forutsi hvordan endringer i krefter ville påvirke strukturen, utførte ingeniørene noen ganske smarte valideringer også. Siden de hadde målinger av instrumentplattformen før og etter at den første kabelen mislyktes,de kunne fjerne den kabelen i modellen og sammenligne den forutsagte oppførselen til plattformen med det som faktisk skjedde. Da den første kabelen sviktet, falt det hjørnet av plattformen med to og en halv fot eller omtrent en meter, og modellen var i stand til å forutsi dette i løpet av et par centimeter.

Mens alt dette designet fant sted, var ytterligere problemer rett rundt hjørnet. I november, bare 3 måneder etter at den første kabelen brøt ved Tower 4, mislyktes en andre. Denne gangen var det en av de originale kablene som ble installert på 1960-tallet. Den trakk ikke fra stikkontakten, men brakk ganske enkelt. Og det brøt med en styrke godt under hva den burde ha kunnet håndtere (omtrent 62% av sin nominelle styrke for å være presis). Den fallende kabelen skadet igjen deler av teleskopet, og igjen ble plattformen stående. Optimismen rundt strukturen falt imidlertid raskt. Spørsmålet gikk fra, “ hvordan fikser vi teleskopet? ” til “ kan vi fikse teleskopet? ” Og det var forskjellige meninger.

Ingeniørene brukte konstruksjonsmodellen for å evaluere alternativer som kunne lindre spenningen i de gjenværende kablene og redusere muligheten for fullstendig feil. De kan kutte de ødelagte kablene siden de er ganske tunge og ikke gjør noe nyttig lenger. De kunne flytte den gregorianske kuppelen slik at de andre tårnene hadde mer vekt. De kunne løsne bakstykkene, noe som fikk tårnene til å lene seg innover med 18 tommer eller en halv meter. Og selvfølgelig kan de legge til noen midlertidige kabler i Tower 4 for å ta opp noe av vekten. Alle disse alternativene viste reduksjoner i kreftene som ble ført av de gjenværende kablene, men problemet var å finne ut hvordan du kan jobbe trygt. På dette tidspunktet hadde de to feil, begge godt under den spesifiserte bruddstyrken til kablene. Ikke bare hadde teleskopet mistet sin strukturelle redundans,men ingeniørene stolte heller ikke på styrken til de gjenværende kablene, og med god grunn. Mannskaper kunne ikke få tilgang til nettstedet på grunn av risikoen for at en annen kabel svikter, men nesten alle alternativene for å avlaste belastningen på kablene vil kreve å ha personell på plattformen og tårnene.

Et av ingeniørfirmaene som arbeidet med problemet antydet noen siste grøftearbeid for å redde strukturen. Etter det kunne de utføre bevistester eksternt ved hjelp av festekontaktene for å sjekke om de gjenværende kablene hadde minst 10% ekstra styrke. Hvis ingeniørene kunne få en viss tillit til styrken til de gjenværende kablene, kan mannskapene kanskje komme inn på stedet og iverksette ytterligere tiltak for å redde strukturen. Ingen kunne imidlertid bli komfortable med risikoen for helikopterarbeidet eller bevistesting av de allerede nødlidende kablene.

Det er en tøff ting å si at når en så viktig og ikonisk struktur fremdeles står, at det ikke er noen vei fremover til reparasjon. Dette sitatet fra ingeniøren forteller hele historien. “ Det er lite sannsynlig at noen av disse metodene vil gi tilstrekkelige reduksjoner uten å sette mannskapene i fare…Selv om det trist oss å komme med denne anbefalingen, mener vi strukturen bør rives på en kontrollert måte så snart pragmatisk mulig. ” De vil imidlertid ikke få sjansen.

Om morgenen 1. desember brøt en tredje kabel ved Tower 4, og startet en kjede av hendelser som raskt ville kollapse strukturen. Utrolig nok flyr en av observatoriets ansatte en på toppen av tårnet da det skjedde, og fanget utrolige bilder av hendelsen. Det skjer nesten øyeblikkelig. To av hovedkablene er allerede tydelig i nød når videoen starter. All flislagt maling er fra individuelle tråder av kabelen som svikter. Observatoriets ansatte kunne høre disse pausene og visste hva som sannsynligvis var overhengende, og det var derfor dronen var der oppe i utgangspunktet. Den tredje kabelen klikker, og de resterende kablene, tvunget til å bære tilleggsbelastningen, følger raskt. Dronen snur seg for å avsløre plattformen som krasjer inn på siden av parabolen.

Observatoriet hadde også en Gopro satt opp i kontrollrommet som fanget feilen. Du kan se kablene gi slipp fra Tower 4, plattformen svinger nedover, støttekablene krasjer gjennom den hengende catwalken, og den øverste delen av Tower 4 som bryter av fra den ubalanserte kraften i backstays. Alle tre tårnene fikk feil, store deler av parabolen ble ødelagt, og plattformen og instrumentene den støttet var et fullstendig tap. Flere bygninger, inkludert besøkssenteret, ble skadet av fallende rusk. Heldigvis, selv om det var mennesker på stedet under sammenbruddet, hadde ingeniørene etablert trygge soner vekk fra strukturen, og ingen ble skadet.

Flere rettsmedisinske undersøkelser pågår fortsatt for å undersøke årsakene til de mislykkede kablene. Disse resultatene kan være år unna, så vi vet ennå ikke med hvorfor de to første kablene ga seg når de burde hatt mer enn nok styrke til å bære belastningen. Ingeniører involvert under arrangementet antydet at den første kabelen som mislyktes sannsynligvis ikke var produsert riktig. Enten spelteruttakene ble installert i feltet eller i en butikk, er det mange detaljer som kreves for å gjøre det ordentlig, og det er absolutt mulig at noe ble . Og når disse stikkontaktene er installert, er de vanskelige å inspisere. Når det gjelder den andre kabelen, foreslo ingeniørene at det sannsynligvis ville være en feilmodus korrosjon av stålet. Kablene ble malt regelmessig og hadde angivelig et avfuktingssystem som kunne blåse tørr luft mellom trådene (selv om disse systemene vanligvis krever en lufttett hylse rundt hver kabel). Likevel satt Arecibo nesten 60 år bare et lite stykke fra den nordlige kysten av Puerto Rico, og eksponering for den salte sjøluften kunne ha fremskyndet bortfallet av hovedkablene.

Et annet element som er verdig å undersøke er sikkerhetsfaktoren som brukes i den originale designen. Dette er kvoten på strukturens krav og dens styrke. Hele poenget med en sikkerhetsfaktor er å imøtekomme usikkerhet. Vi spår kravene til en struktur. Vi sammenligner dem med styrken. Vi erkjenner at det kan være ekstra krefter eller mindre styrke enn forventet av en rekke årsaker utenfor vår kontroll, så vi gir strukturene våre en viss margin. Arecibo hengende plattformkabler ble designet for å ha en sikkerhetsfaktor to, noe som betyr at de var dobbelt så sterke som den forventede statiske belastningen fra plattformen.

Det kan virke som mye, men vurder at heiskabler bruker en sikkerhetsfaktor på 11, og mange broer bruker sikkerhetsfaktorer over 3. I luftfartsteknikk, der vekten er kritisk, gjør de mange modelleringer og tester for å bygge nok tillit til design til å få sikkerhetsfaktorene ned til rundt 1,5. Arecibo var et unikt anlegg, i motsetning til noen annen struktur i verden. Det gikk ikke gjennom et strengt strukturelt testprogram. Og den ble designet før datamodellering kunne brukes til å nøyaktig karakterisere alle de statiske og dynamiske kreftene den kunne oppleve. Jeg tror det er verdt å vurdere om strukturen burde vært designet med litt ekstra margin, spesielt med tanke på de mulige omstendighetene som marginen ville være nødvendig. En kabelsvikt er en voldelig hendelse.All belastningen den mislykkede kabelen hadde, distribuerer seg ikke bare til de andre kablene jevnt og forsiktig. De dynamiske belastningene som oppstår når strukturen rister og vibrerer, kan være betydelig høyere enn de statiske belastningene. Det ville ikke være overraskende i det hele tatt å finne ut at toppspenningen i de gjenværende kablene på Tower 4 faktisk overskred deres nominelle styrke da den første og andre kabelen brøt, selv om det bare er et øyeblikk.

Til tross for kollapsen er Arecibo Observatory ikke stengt og vitenskapen fortsetter på de andre fasilitetene på stedet. Fra og med dette skrivet jobber mannskapene fremdeles for å rydde opp i ruskene fra kollapsen, og National Science Foundation holder workshops for å diskutere nettstedets fremtid. Jeg håper at de etter hvert kan erstatte teleskopet med et instrument så futuristisk og fremtidsrettet som Arecibo-teleskopet var da det ble unnfanget. Det var en ambisiøs og inspirerende struktur, og vi vil helt sikkert savne den. Takk, og la meg få vite hva du synes!

Du vil kanskje også like

Mer fra forfatter

+ There are no comments

Add yours

Dette nettstedet bruker Akismet for å redusere spam. Lær om hvordan dine kommentar-data prosesseres.