Efter nästan 16 år av att utforska kosmos i infrarött ljus, NASA:s Spitzer Space Telescope kommer att stängas av permanent den 30 januari, 2020. Då, rymdfarkosten kommer att ha opererats i mer än 11 ​​år bortom sitt främsta uppdrag, tack vare Spitzers ingenjörsteams förmåga att hantera unika utmaningar när teleskopet glider längre och längre från jorden.

Hanteras och drivs av NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, Spitzer är ett litet men transformerande observatorium. Den fångar infrarött ljus, som ofta sänds ut av "varma" föremål som inte är tillräckligt varma för att utstråla synligt ljus. Spitzer har lyft slöjan över gömda föremål i nästan varje hörn av universum, från en ny ring runt Saturnus till observationer av några av de mest avlägsna galaxer som är kända. Den har spionerat stjärnor i alla skeden av livet, kartlade vår hemgalax, fångade underbara bilder av nebulosor och undersökte nyupptäckta planeter som kretsar kring avlägsna stjärnor.

Men som Spitzers biträdande uppdragschef, Joseph Hunt, sa, "Du kan ha en rymdfarkost i världsklass, men det betyder ingenting om du inte kan få hem datan."

Spitzer kretsar runt solen på en bana som liknar jordens men rör sig något långsammare. Idag släpar den omkring 158 miljoner miles (254 miljoner kilometer) bakom vår planet - mer än 600 gånger avståndet mellan jorden och månen. Det avståndet, tillsammans med kurvan för Spitzers bana, betyder att när rymdfarkosten riktar sin fasta antenn mot jorden för att ladda ner data eller ta emot kommandon, dess solpaneler lutar bort från solen. Under dessa perioder, rymdfarkosten måste förlita sig på en kombination av solenergi och batterikraft för att fungera.

Vinkeln med vilken panelerna pekar bort från solen har ökat för varje år som uppdraget har pågått. Dessa dagar, att kommunicera med jorden, Spitzer måste placera sina paneler i en 53-graders vinkel bort från solen (90 grader skulle vara helt vända bort), även om uppdragsplanerarna aldrig hade för avsikt att den skulle luta mer än 30 grader från solen. Spitzer kan kommunicera med jorden i cirka 2,5 timmar innan den måste vända sina solpaneler tillbaka mot solen för att ladda batterierna. Det kommunikationsfönstret skulle bli kortare år efter år om Spitzer fortsatte att fungera, vilket innebär att det finns en gräns för hur länge det skulle vara möjligt att driva rymdfarkosten effektivt.

En uthållig ansträngning

Att lära rymdfarkosten att acceptera nya förhållanden – som solpanelernas ökande vinkel under kommunikation med jorden – är inte så enkelt som att vrida på en strömbrytare. Det finns flera sätt som dessa förändringar kan utlösa säkerhetsmekanismer i rymdfarkostens flygprogramvara. Till exempel, om panelerna lutade mer än 30 grader från solen under uppdragets första år, programvaran skulle ha tryckt på "paus, " sätta rymdfarkosten i "säkert läge" tills uppdragsteamet kunde ta reda på vad som var fel. Spitzers ändrade vinkel mot solen kan också utlösa säkerhetsmekanismer som är avsedda att förhindra att rymdskeppsdelar överhettas.

Att gå in i säkert läge kan vara särskilt farligt för rymdfarkosten, både på grund av dess växande avstånd från jorden (vilket gör det svårare att kommunicera) och för att de åldrande systemen ombord kanske inte startar om när de stängs av.

För att hantera dessa utmaningar, projektingenjörerna och forskarna vid JPL och Caltech har arbetat med observatoriets ingenjörsteam på Lockheed Martin Spaces Littleton, Colorado, möjlighet att hitta en väg framåt. (Lockheed Martin byggde rymdfarkosten Spitzer åt NASA.) Bolinda Kahr, Spitzers uppdragschef, leder detta multicenterteam. Under årens lopp har hon och hennes kollegor framgångsrikt kommit på hur man kan åsidosätta säkerhetsmekanismer utformade för huvuduppdraget samtidigt som de ser till att sådana förändringar inte introducerar andra oönskade biverkningar.

Men när Spitzer åldras och kommer längre från jorden, utmaningen att hålla rymdfarkosten i drift och risken att den kommer att drabbas av en stor anomali bara ökar.

"Jag kan verkligen säga att ingen inblandad i uppdragsplaneringen trodde att vi skulle köra 2019, sa Lisa Storrie-Lombardi, Spitzers projektledare. "Men vi har en otroligt robust rymdfarkost och ett otroligt team. Och vi har haft tur. Du måste ha lite tur, för du kan inte förutse allt."

Att hålla sig cool

De flesta infraröda detektorer måste kylas till mycket låga temperaturer, because excess infrared light from "warm" objects—including the Sun, Jorden, the spacecraft and even the instruments themselves—can overwhelm the infrared sensors. This cooling is typically done with a chemical coolant.

The Spitzer planners instead came up with a passive-cooling system that included flying the spacecraft far from Earth (a major infrared heat source). They also chose materials for the spacecraft exterior that would both reflect sunlight away before it could heat the telescope and radiate absorbed heat back into space. I den här konfigurationen, coolant is required only to lower the instrument temperatures a few degrees further. Reducing the onboard coolant supply also drastically allowed the engineers to cut the total size of the spacecraft by more than 80% and helped curtail the anticipated mission budget by more than 75%.

Although Spitzer's coolant supply ran out in 2009, rendering two of its three instruments unusable, the team was able to keep half of the remaining instrument operating. (The instrument was designed to detect four wavelengths of infrared light; in the "warm" mode, it can still detect two of them.)

Lasting more than twice as long as the primary mission, Spitzer's extended mission has yielded some of the observatory's most transformational results. Under 2017, the telescope revealed the presence of seven rocky planets around the TRAPPIST-1 star. I många fall, Spitzer's exoplanet observations were combined with observations by other missions, including NASA's Kepler and Hubble space telescopes.

Spitzer's final year and a half of science operations include a number of exoplanet-related investigations. One program will investigate 15 dwarf stars (similar to the TRAPPIST-1 star) likely to host exoplanets. An additional 650 hours are dedicated to follow-up observations of planets discovered by NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), which launched just over a year ago.

Final Voyage

Every mission must end at some point. As the challenges associated with operating Spitzer continue to grow and as the risk of a mission-ending anomaly on the spacecraft rises, NASA has made the decision to close out the mission in a controlled manner.

"There have been times when the Spitzer mission could have ended in a way we didn't plan for, " said Kahr. "I'm glad that in January we'll be able to retire the spacecraft deliberately, the way we want to do it."

While Spitzer's mission is ending, it has helped set the stage for NASA's James Webb Space Telescope, set to launch in 2021, which will study the universe in many of the same wavelengths observed by Spitzer. Webb's primary mirror is about 7.5 times larger than Spitzer's mirror, meaning Webb will be able to study many of the same targets in much higher resolution and objects much farther away from Earth than what Spitzer can observe.

Thirteen science programs have already been selected for Webb's first five months of operations, four of which build directly on Spitzer observations. Webb will greatly expand on the legacy begun by Spitzer and answer questions that Spitzer has only begun to investigate.