Tan fred com fa: el refrigerador criològic del telescopi Webb


Si us demanessin el nom del punt més fred del sistema solar, és molt probable que penseu que estaria en algun lloc el més lluny possible de la font definitiva de tota l’energia del sistema: el Sol. És lògic que com més us allunyeu d’alguna cosa calenta, més s’escampa la calor. I així Plutó, planeta o no, podria ser una bona suposició per a la baixa temperatura rècord.

Però, pel que fa a Plutó, fins a 40 Kelvin, hi ha un lloc molt, molt més fred que això i, paradoxalment, molt més a prop de casa. De fet, només es troba a un milió de milles de distància, i ara mateix, assegut a només 6 Kelvin, el tros de silici al pla focal d’un dels instruments principals a bord del telescopi espacial James Webb fa que la superfície de Plutó sembli francament suau. .

La profunditat del fred a Webb és encara més sorprenent tenint en compte que a pocs metres de distància, la temperatura és de 324 K (123 F, 51 C). Els com i els perquès dels sistemes de refrigeració de Webb estan plens de coses interessants d’enginyeria i val la pena una mirada en profunditat mentre el telescopi espacial més nou del món es prepara per a les observacions.

No prou fred

Probablement la primera pregunta més òbvia sobre els refrigeradors criològics a l’espai és: per què Webb necessita fins i tot un refrigerador criològic? L’espai, especialment l’àrea al voltant de l’òrbita halo de Webb al voltant del punt de Lagrange L2, no és ja prou fred? En una paraula, no: els instruments de Webb d’astronomia infraroja estan dissenyats, l’espai no és prou fred. Però, què té d’especial l’astronomia infraroja i per què requereix temperatures tan baixes?

Des dels seus primers dissenys, el que seria el telescopi espacial James Webb sempre es va concebre com un telescopi infrarojo. Això es deu al fet que els objectes que Webb pretenia estudiar es troben entre els objectes més antics de l’univers, i la Llei de Hubble ens diu que com més lluny estigui un objecte, més ràpid s’allunya de la Terra, la llum d’ells serà dramàticament vermella. desplaçat gràcies a l’efecte Doppler. Això vol dir que la llum de gairebé tot el que s’apuntarà Webb es troba en algun lloc de la part infraroja de l’espectre. Els quatre paquets d’instruments espectrogràfics i d’imatge de Webb poden cobrir des de la vora de la part visible de l’espectre, al voltant de 0,6 μm de longitud d’ona, fins a les longituds d’ona de l’infraroig mitjà d’uns 28 μm. Com a referència, les microones comencen a una longitud d’ona d’uns 100 μm, de manera que la freqüència de la llum que Webb està dissenyat per estudiar no està tan per sobre de la part de ràdio de l’espectre electromagnètic.

El problema de l’astronomia infraroja és que els sensors utilitzats per captar la llum es veuen aclaparats fàcilment per la calor del seu entorn, que irradia a la regió infraroja. A més, els fotosensors utilitzats en telescopis infrarojos són susceptibles al corrent fosc, que és un flux de corrent al sensor fins i tot en absència de llum que hi cau. El corrent fosc és causat principalment per l’estimulació tèrmica dels electrons dins del material del sensor, de manera que mantenir el sensor tan fred com sigui possible redueix en gran mesura el soroll.

Hi ha fred, i després hi ha fred MIRI

Com s’ha dit anteriorment, Webb té quatre instruments principals. Tres d’ells, la càmera d’infrarojos propers (NEARCam), l’espectrògraf d’infrarojos propers (NEARSpec) i el sensor d’orientació fina i la imatge d’infrarojos propers i l’espectrògraf sense ranures (FGS-NIRISS) funcionen a la part de l’infraroig proper de l’espectre, com els seus noms suggereixen. L’infraroig proper es troba just per sota de la part visible de l’espectre, al voltant de 0,6 a 5,0 μm. Els sensors per a aquestes longituds d’ona utilitzen un aliatge de mercuri, cadmi i tel·luri (Hg:Cd:Te) i requereixen un refredament a uns 70 Kelvin per poder-los utilitzar.

El sensor de MIRI, un sensor de silici dopat amb arsènic de 1024 × 1024 píxels, muntat al mòdul del pla focal. El criorefrigerador conduirà aquest sensor fins a 6 K. Font: NASA/JPL

Per als telescopis IR propers a la Terra, la refrigeració dels sensors Hg:Cd:Te normalment es fa amb nitrogen líquid. A Webb, però, hi ha una altra opció disponible, gràcies al parasol massiu de cinc capes que protegeix l’observatori de la llum fulgurant del Sol, així com la llum reflectida a la Terra, que gràcies a l’òrbita d’halo del telescopi sempre és en vista. Les capes del parasol Kapton aluminitzat de Webb estan espaciades de manera que l’IR incident rebota entre les capes adjacents i, finalment, s’irradia a l’espai més o menys perpendicular al parasol, en lloc de penetrar a través de les capes fins a l’òptica sensible del seu costat fosc. El parasol rep de l’ordre de 200 kW d’energia al costat calent, mentre que només permet que passin 23 mW al costat fred. Això manté els instruments situats allà a uns 40 K freds, que són prou freds per als tres instruments propers a infrarrojos.

Però tan fred com els 40 Kelvin per sobre del zero absolut, encara fa massa calor per als sensors del quart dels instruments primaris de Webb. El Mid-Infrared Imager, o MIRI, està dissenyat per prendre imatges i fer observacions espectrogràfiques de 5 a 28 μm, que requereix un sensor completament diferent del dels seus cosins propers a IR. En lloc de Hg:Cd:Te, el sensor de MIRI es basa en silici dopat amb arsènic (Si:As), que s’ha de refredar molt a prop del zero absolut, menys de 7 Kelvin.

Sona bastant fred

En els dissenys originals de Webb, la temperatura ultra-freda necessària per a MIRI anava a ser proporcionada per un matràs Dewar que contenia una substància criogènica: hidrogen sòlid. L’elecció d’un sistema criogènic emmagatzemat es va fer a partir de la immaduresa dels sistemes de criorefrigeració actius amb classificació espacial capaços d’arribar als 6 K en aquell moment. No obstant això, els retards ara infames de Webb van permetre el desenvolupament de la tecnologia del criorefrigerador i, a la vista de l’estalvi de pes que oferia un refrigerador criològic actiu, per no parlar del potencial d’utilitzar MIRI més temps: l’instrument seria inútil un cop l’hidrogen sòlid s’hagués esvaït; es va prendre la decisió de substituir el Dewar criogènic.

Això no va estar exempt de reptes d’enginyeria, és clar. El principal d’aquests va ser la capacitat d’assolir la temperatura objectiu mantenint-se dins de les limitacions de potència i pes, i no afegir vibracions mecàniques indegudes a l’òptica sensible. Ambdues especificacions van ser particularment difícils donada la gran mida de Webb i la disposició física de l’observatori, que va fer necessari estendre els conjunts del refrigerador criològic per tres àrees diferents de la nau espacial, cadascuna amb règims tèrmics diferents per tractar.

Esquema de la disposició del criorefrigerador a Webb. La regió 3 té els compressors i l’electrònica de control, la regió 2 cobreix les línies de refrigerant fins al paquet d’instruments, i la regió 1 és l’extrem fred al pla focal. Font. GAO a través de la NASA

La regió més càlida, denominada Regió 3, es troba a l’autobús de la nau espacial. Es troba a la part calenta del parasol, la qual cosa significa que es pot esperar veure temperatures de fins a 300 K aproximadament. El conjunt que es munta en aquesta regió consisteix principalment en el conjunt del compressor cryocooler (CCA) i la seva electrònica de control associada. El CCA és el “prerefrigerador” de tot el sistema, utilitzant un disseny de tub de pols de tres etapes per aconseguir temperatures d’uns 18 K. Els criorefrigeradors de tub de pols no tenen parts mòbils a part dels pistons utilitzats per generar les ones de pressió, el que els fa excel·lents per a aplicacions de baixa vibració com aquesta.

El procés de refrigeració del tub de pols es basa en la termoacústica per transferir la calor. En termoacústica, una ona estacionària s’estableix dins d’un gas de treball (heli en el cas del criorefrigerador de Webb) dins d’un tub segellat. Un tap porós, anomenat regenerador o recuperador, es troba dins del tub, a prop d’un dels nodes de l’ona estacionària. A mesura que el gas de treball es comprimeix i s’expandeix, s’estableix un gradient de temperatura a través del regenerador. L’extrem calent del tub de pols irradia calor cap a l’espai mitjançant un dissipador de calor, mentre que l’extrem fred s’utilitza per eliminar la calor d’un intercanviador de calor de bucle tancat, també carregat d’heli. El vídeo següent té una excel·lent demostració del principi de refrigeració termoacústica.

L’heli refrigerat, ara al voltant de 18 K, entra a la Zona 2, que es troba dins de la torre que suporta el mirall primari de Webb. La temperatura d’aquesta regió és d’entre 100 K i gairebé 300 K, i l’heli superfred ha de passar per uns dos metres de tub per arribar als instruments en el focus del telescopi, de manera que es va dedicar molta enginyeria per assegurar-se que no hi hauria transferència de calor no desitjada.

Al final del seu viatge per la Zona 2, el refrigerant arriba al cor de la Zona 1, el pla focal del mateix MIRI. Aquesta zona ja es troba a uns 40 K gràcies als passos de refrigeració passius descrits abans, però per conduir el refrigerant fins a la seva temperatura final de 6 K, passa pel que es coneix com a vàlvula Joule-Thomson. La vàlvula JT utilitza l’efecte Joule-Thompson per refredar encara més el fluid de treball d’heli.

El criorefrigerador de Webb després de sotmetre’s a proves. Els cilindres de plata de l’esquerra allotgen el compressor de doble pistó i oposat horitzontalment, mentre que la torre negra conté el tub de pols i el regenerador. No es mostra el conjunt de la vàlvula Joule-Thompson. Font: NASA/JPL

Joule-Thomson diu que quan es redueix la pressió d’un gas, també es redueix la seva temperatura. És una cosa que tots hem vist abans, com quan es forma gelada a l’exterior d’una llauna d’aire de pols, o el núvol de gotes d’aigua que es formen quan un canó d’aire llança un projectil a l’aire. Al Cold Head Assembly (CHA) de Webb dins de MIRI, una vàlvula especial permet que la pressió de l’heli superfred caigui sobtadament, fent que caigui al voltant de 6 K i refredant un bloc de coure sobre el qual estan muntats els sensors MIRI. L’heli es torna a través de la vàlvula JT i torna a baixar per la canonada fins al CCA, en un sistema de bucle tancat.

Fins ara, el sistema de criorefrigerador de Webb està arribant a tots els seus objectius i manté feliç a MIRI. A partir d’aquest escrit, la temperatura al pla focal MIRI s’ha mantingut constantment per sota del punt de consigna de 7 K durant més de 14 dies, amb els altres instruments propers a IR mantenint-se molt per sota del seu objectiu de 40 K. Esperem que aviat puguem veure els resultats d’aquests instruments.

I només perquè consti, el punt natural més fred del sistema solar podria ser realment els “cràters de doble ombra” al pol sud de la Llunaamb només 25 K. Pobre Plutó, mai cap respecte.