Cryorefroidisseur Webb/NASA

Cryorefroidisseur

Défi d’ingénierie

Étant un observatoire astronomique infrarouge extrêmement sensible, l’optique et les instruments scientifiques du télescope spatial James Webb doivent être froids pour supprimer le « bruit » de fond infrarouge. De plus, les détecteurs à l’intérieur de chaque instrument scientifique, qui convertissent les signaux lumineux infrarouges en signaux électriques pour les transformer en images, doivent être froids pour fonctionner correctement. Sur le même sujet : La bière pression a-t-elle vraiment meilleur goût ? Peut-être.. En règle générale, plus la longueur d’onde de la lumière infrarouge est longue, plus le détecteur doit être froid pour effectuer cette conversion tout en limitant la génération d’électrons de « bruit » aléatoires.

Refroidissement passif

Trois des quatre instruments scientifiques de Webb « voient » à la fois la lumière visible la plus rouge et la lumière proche infrarouge (lumière avec des longueurs d’onde de 0,6 micron à 5 microns). Ces instruments ont des détecteurs formulés avec du mercure-cadium-tellurure (HgCdTe), qui fonctionnent idéalement pour Webb à 37 kelvin. Ceci pourrez vous intéresser : Comment conserver glaçons sans congélateur ?. Nous pouvons les obtenir ce froid dans l’espace « passivement », simplement grâce à la conception de Webb, qui comprend un pare-soleil de la taille d’un court de tennis.

Refroidissement actif

Cependant, le quatrième instrument scientifique de Webb, l’instrument infrarouge moyen, ou MIRI, « voit » la lumière infrarouge moyen (MIR) à des longueurs d’onde de 5 à 28 microns. Par nécessité, les détecteurs de MIRI ont une formulation différente (silicium dopé à l’arsenic (Si:As)), qui doit être à une température inférieure à 7 kelvins pour fonctionner correctement. Cette température n’est pas possible sur Webb par des moyens passifs seuls, donc Webb porte un « cryocooler » qui est dédié au refroidissement des détecteurs de MIRI.

Avancées du cryorefroidisseur de Webb

Le cryorefroidisseur de Webb a fait progresser l’état de l’art dans les cryorefroidisseurs de vol spatial de cette classe de puissance et de température de deux manières :

1. le prérefroidisseur utilise trois étages de refroidissement par tube pulsé par rapport aux systèmes traditionnels qui n’ont que deux étages, et




2. la séparation entre le prérefroidisseur et le matériel de refroidissement JT ; généralement, cette séparation est de quelques centimètres et non de plusieurs mètres.

Faible vibration

De plus, l’une des exigences les plus exigeantes du cryorefroidisseur est la faible vibration. Les niveaux de vibration doivent être très faibles pour éviter la gigue (tremblement induit) de l’optique et les images floues qui en résultent. Le refroidissement du tube pulsé dans le prérefroidisseur du CCA et le refroidissement par effet Joule-Thomson du CHA n’ont pas de pièces mobiles. Les seules pièces mobiles dans le cryorefroidisseur sont les deux pompes à pistons à 2 cylindres opposés horizontalement dans le CCA, et en ayant des pistons opposés horizontalement qui sont finement équilibrés et réglés et se déplacent dans une opposition pratiquement parfaite, les vibrations sont principalement annulées et donc minimisées .

Durée de vie

Étant un réfrigérateur et un système « fermé », le cryocooler ne consomme pas de liquide de refroidissement comme le font une glacière pleine de glace ou un grand récipient (alias dewar) d’hélium liquide, et sa durée de vie n’est donc limitée que par l’usure de ses pièces mobiles ( les pompes) ou la longévité de son électronique, qui devrait durer de nombreuses années.

Pour plus d’informations, consultez l’article de fond sur MIRI et le cryocooler sur NASA.gov.

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En profondeur

Le cryoréfrigérateur Webb MIRI est essentiellement un réfrigérateur sophistiqué dont les pièces sont réparties dans tout l’observatoire. La pièce principale est le Cryocooler Compressor Assembly (CCA). Il s’agit d’une pompe à chaleur composée d’un pré-refroidisseur qui génère environ 1/4 Watt de puissance de refroidissement à environ 14 kelvin (en utilisant de l’hélium comme fluide de travail), et une pompe à haut rendement qui fait circuler du réfrigérant (également de l’hélium) refroidi par conduction avec le prérefroidisseur, à MIRI. Le prérefroidisseur comprend une pompe à deux cylindres opposés horizontalement et refroidit l’hélium gazeux à l’aide de tubes à impulsions, qui échangent de la chaleur avec un régénérateur de manière acoustique. La pompe à haut rendement est un autre dispositif à pistons opposés horizontalement à deux cylindres qui fait circuler un lot différent d’hélium gazeux séparé de l’hélium du prérefroidisseur.

Le CCA est situé au cœur du bus de l’engin spatial, du côté « chaud » face au soleil de l’observatoire, et il prérefroidit et pompe l’hélium froid à travers la plomberie vers MIRI, qui se trouve à environ 10 mètres dans le module d’instruments scientifiques intégrés. (ISIM). Le CCA est contrôlé par le Cryocooler Control Electronics Assembly (CCEA), qui est un ensemble de boîtiers électroniques montés dans le bus de l’engin spatial à l’intérieur du panneau d’équipement côté bâbord. Le CCA est connecté à l’ISIM via le Cryocooler Tower Assembly (CTA), qui est une paire de tubes en acier inoxydable plaqué or (une ligne d’alimentation et une ligne de retour), chacun d’environ 2 millimètres de diamètre, maintenus à environ chaque pied par une série d’ensembles de suspension délicats (appelés supports de ligne de réfrigérant, ou RLS), montés à l’extérieur de la structure de l’observatoire. Le CTA se connecte à la dernière pièce du cryorefroidisseur appelée Cryocooler ColdHead Assembly (CHA), qui réside dans l’ISIM. Dans la plomberie CHA, à l’intérieur d’un cylindre plaqué or à peu près de la taille et de la forme d’une grande boîte de café, se trouve un petit orifice (moins de 1 millimètre) par lequel passe le réfrigérant à l’hélium refroidi, ce qui entraîne une expansion et un refroidissement final du gaz hélium jusqu’à environ 6 kelvins, attention à l’effet Joule-Thomson (JT). Ce gaz d’hélium réfrigéré le plus froid passe à travers un tube de plus de 2 millimètres jusqu’à un bloc de cuivre de la taille d’une paume fixé à l’arrière des détecteurs MIRI. C’est là que la chaleur de la cible est échangée, ce qui entraîne le refroidissement des détecteurs de MIRI à environ 6,2 kelvins. Le CHA contient également des vannes qui permettent à l’hélium de contourner la restriction JT lorsque l’observatoire et le MIRI sont en mode de refroidissement (comme peu de temps après le lancement lors du déploiement et de la mise en service). Les tubes CCA, CTA et CHA sont reliés entre eux par des paires de raccords de 7/16 pouces qui, à l’extérieur, ressemblent à des raccords de conduite de frein hydraulique automobile.