Det är fantastiskt att tro att det finns teleskop uppe i rymden, just nu och riktar blicken mot avlägsna föremål i timmar, dagar och till och med veckor. Tillhandahålla en synvinkel så stabil och korrekt att vi kan lära oss detaljer om galaxer, exoplaneter och mer.
Och när tiden är slut kan rymdskeppet flytta blicken i en annan riktning. Allt utan att använda bränsle.
Det är allt tack vare tekniken för reaktionshjul och gyroskop. Låt oss prata om hur de fungerar, hur de är annorlunda och hur deras misslyckande har avslutat uppdrag tidigare.
Här är det snabba svaret. Reaktionshjul tillåter rymdskepp att ändra sin orientering i rymden, medan gyroskop håller ett teleskop otroligt stabilt, så att de kan peka på ett mål med hög noggrannhet.
Om du har lyssnat på tillräckligt med avsnitt av Astronomy Cast, vet du att jag alltid klagar på reaktionshjul. Det verkar alltid vara poängen att misslyckas i uppdrag, att avsluta dem för tidigt innan vetenskapen är i.
Jag har antagligen använt termen reaktionshjul och gyroskop omväxlande tidigare, men de tjänar något olika syften.
Låt oss först prata om reaktionshjul. Dessa är en typ av svänghjul som används för att ändra orienteringen för ett rymdskepp. Tänk på ett rymdteleskop som måste växla från mål till mål, eller ett rymdskepp som måste vända sig tillbaka till jorden för att kommunicera data.
De är också kända som momentum.
Det finns inget luftmotstånd i rymden. När ett hjul vrider sig i en riktning vänder hela teleskopet i motsatt riktning, tack vare Newtons tredje lag - du vet att för varje handling finns det en lika och motsatt reaktion. Med hjul som snurrar i alla tre riktningar kan du vrida teleskopet i vilken riktning du vill.
Hjulen är fixerade på plats och snurrar mellan 1 000 och 4 000 varv per minut och bygger upp vinkelmomentet i rymdskeppet. För att ändra rymdskeppets orientering ändrar de hastigheten med vilken hjulen snurrar.
Detta skapar ett vridmoment som får rymdskeppet att ändra sin orientering, eller prcess, i en vald riktning.
Denna teknik fungerar bara med el, vilket innebär att du inte behöver använda drivmedel för att ändra riktningen på teleskopet. Så länge du har fått tillräckligt med rotorer att snurra, kan du fortsätta att ändra din riktning genom att bara använda kraften från solen.
Reaktionshjul används på nästan alla rymdfarkoster där ute, från små kubatsatser till Hubble rymdteleskop.
Med tre hjul kan du ändra orientering till valfri plats i 3-dimensioner. Men Planetary Society's LightSail 2 har bara ett enda momentumhjul för att förskjuta orienteringen av sitt solsegel, från kant till solen och sedan bredda för att höja sin bana med enbart solljus.
Naturligtvis är vi mest bekanta med reaktionshjul på grund av de tider de har misslyckats med att ta rymdfarkoster ur uppdrag. Uppdrag som FUSE och JAXAs Hayabusa.
Keplers förlust av reaktionshjul och den geniala lösningen
Mest känt är NASA: s Kepler Space Telescope, som lanserades den 9 mars 2009 för att hitta planeter som kretsar kring andra stjärnor. Kepler var utrustad med fyra reaktionshjul. Tre var nödvändiga för att hålla teleskopet försiktigt riktat mot en himmelregion och sedan en reserv.
Det såg på för alla stjärnor i sitt synfält att ändra ljusstyrkan med en faktor 1 av 10 000, vilket indikerar att en planet kunde passera framför. För att spara bandbredd överförde Kepler faktiskt bara information om förändringarna i ljusstyrkan hos själva stjärnorna.
I juli 2012 misslyckades ett av Keplers fyra reaktionshjul. Den hade fortfarande tre, vilket var det minsta som det behövdes för att kunna vara tillräckligt stabilt för att fortsätta sina observationer. Och i maj 2013 tillkännagav NASA att Kepler hade misslyckats med ett annat av sina hjul. Så det var nere på två.
Detta stoppade de viktigaste vetenskapliga operationerna i Kepler. Med bara två hjul i drift kunde den inte längre behålla sin position noggrant för att spåra stjärnstyrka ..
Trots att uppdraget kunde ha varit ett misslyckande, räknade ingenjörer ut en genial strategi och använde ljustrycket från solen för att fungera som en kraft i en axel. Genom att balansera rymdskeppet perfekt i solljuset kunde de fortsätta använda de andra två reaktionshjulen för att fortsätta göra observationer.
Men Kepler tvingades titta på den lilla platsen på himlen som råkade i linje med sin nya inriktning, och flyttade sitt vetenskapliga uppdrag till att leta efter planeter som kretsar runt röda dvärgstjärnor. Den använde sitt ombord drivmedel som vände tillbaka till jorden för att överföra data. Kepler slutade slut på bränsle den 30 oktober 2018 och NASA lade upp sitt uppdrag.
Samtidigt som Kepler kämpade med sina reaktionshjul hade NASA: s Dawn-uppdrag problem med exakt samma reaktionshjul.
Dawn's Loss of Reaction Wheels
Dawn lanserades den 27 september 2007 med målet att utforska de två av de största asteroiderna i solsystemet: Vesta och Ceres. Rymdskeppet gick in i omloppsbana runt Vesta i juli 2011 och tillbringade nästa år med att studera och kartlägga världen.
Det var tänkt att lämna Vesta och åka till Ceres i augusti 2012, men avgången försenades med mer än en månad på grund av problem med dess reaktionshjul. Från och med 2010 upptäckte ingenjörer mer och mer friktion i ett av dess hjul, så rymdskeppet växlade till de tre fungerande hjulen.
Och sedan 2012 började det andra av dess hjul att få friktion också, och rymdskeppet satt kvar med bara två återstående hjul. Inte tillräckligt för att hålla den helt orienterad i rymden med enbart el. Detta innebar att det var tvungen att börja använda sin hydrazin-drivmedel för att behålla sin orientering under resten av sitt uppdrag.
Dawn tog sig till Ceres, och genom noggrann användning av drivmedel kunde den kartlägga denna värld och dess bisarra ytfunktioner. Slutligen, i slutet av 2018, var rymdskeppet ur drivmedel, och det kunde inte längre behålla sin orientering, kartlägga Ceres eller skicka sina signaler tillbaka till jorden.
Rymdskeppet kommer att fortsätta att kretsa runt Ceres och tumla hjälplöst.
Det finns en lång lista över uppdrag vars reaktionshjul har misslyckats. Och nu tror forskare att de vet varför. Det släpptes ett papper 2017 som bestämde att miljön i rymden själv orsakar problemet. När geomagnetiska stormar passerar rymdskeppet genererar de laddningar på reaktionshjulen som orsakar ökad friktion och får dem att slitas snabbare.
Jag sätter en länk till en fantastisk video av Scott Manley som går mer i detalj.
Hubble rymdteleskop och dess gyroskop
Hubble rymdteleskopet är utrustat med reaktionshjul för att ändra dess övergripande orientering och roterar hela teleskopet med hastigheten på en minuts hand på en klocka - 90 grader på 15 minuter.
Men för att hålla sig riktad mot ett enda mål använder den en annan teknik: gyroskop.
Det finns 6 gyroskop på Hubble som snurrar med 19 200 varv per minut. De är stora, massiva och snurrar så snabbt att deras tröghet motstår alla förändringar i teleskopets orientering. Det fungerar bäst med tre - som matchar rymdens tre dimensioner - men kan fungera med två, eller till och med en, med mindre exakta resultat.
I augusti 2005 slogs Hubbles gyroskop ned och NASA skiftade till två-gyroskopläge. 2009, under Servicemission 4, besökte NASA-astronauter rymdteleskopet och ersatte alla sex av dess gyroskop.
Det är sannolikt sista gången astronauter någonsin besöker Hubble, och dess framtid beror på hur länge dessa gyroskop varar.
Vad sägs om James Webb?
Jag vet att bara omnämnandet av James Webb Space Telescope gör alla nervösa. Mer än 8 miljarder dollar investerade hittills och kommer att lanseras inom ungefär två år. Det kommer att flyga till Earth-Sun L2 Lagrange punkt, som ligger cirka 1,5 miljoner kilometer från jorden.
Till skillnad från Hubble finns det inget sätt att flyga ut James Webb för att reparera det om något går fel. Och när man ser hur ofta gyroskop har misslyckats, verkar det verkligen som en farlig svag punkt. Vad händer om James Webbs gyros misslyckas? Hur kan vi ersätta dem.
James Webb har reaktionshjul ombord. De är byggda av Rockwell Collins Deutschland och de liknar reaktionshjulen ombord på NASA: s Chandra, EOS Aqua och Aura-uppdrag - så en annan teknik än de misslyckade reaktionshjulen på Dawn och Kepler. Aura-uppdraget gav en skräck under 2016 när ett av dess reaktionshjul snurrades ner, men det återhämtades efter tio dagar.
James Webb använder inte mekaniska gyroskop som Hubble för att hålla det på mål. Istället använder den en annan teknik som kallas hemisfärisk resonatorgyros, eller HRG.
Dessa använder en kvartshalvkula som har formats mycket exakt så att den resonerar på ett mycket förutsägbart sätt. Hemisfären är omgiven av elektroder som driver resonansen, men upptäcker också små ändringar i dess orientering.
Jag känner till den typen av ljud som gibberish, som om den drivs av enhörningströmmar, men du kan uppleva detta själv.
Håll ett vinglas och vippa det sedan med fingret så att det ringer. Ringen är vinglaset som böjer fram och tillbaka vid sin resonansfrekvens. När du roterar glaset vänder böjningen fram och tillbaka också, men det släpar efter orienteringen på ett mycket förutsägbart sätt.
När dessa svängningar sker tusentals gånger i sekundet i en kvartskristall, är det möjligt att upptäcka små rörelser och sedan redogöra för dem.
Det är så James Webb kommer att hålla fast på sina mål.
Denna teknik har flyttat på Cassini-uppdraget i Saturn och fungerat perfekt. Från och med juni 2011 hade NASA rapporterat att dessa instrument hade upplevt 18 miljoner timmars kontinuerlig drift i rymden på mer än 125 olika rymdskepp utan ett enda misslyckande. Det är faktiskt väldigt pålitligt.
Jag hoppas att det rensar. Reaktions- eller farthjul används för att orientera rymdskepp i rymden, så att de kan möta i olika riktningar utan att använda drivmedel.
Gyroskop används för att hålla ett rymdteleskop korrekt riktat mot ett mål för att ge bästa vetenskapliga data. De kan vara mekaniska spinnhjul, eller de använder resonansen hos vibrerande kristaller för att upptäcka förändringar i tröghet.
