Quanto fa freddo? Telescopio Webb crioculare

Se ti venisse chiesto di indicare il punto più freddo del sistema solare, molto probabilmente penseresti che sarebbe tanto lontano dalla fonte finale di tutta l’energia nel sistema come Ar. Il motivo è che più sei lontano da qualcosa di caldo, più calore viene dissipato. E quindi Plutone, pianeta o meno, potrebbe essere una buona ipotesi per una temperatura record.

Ma dal momento che è freddo come Plutone, fino a 40 Kelvin, c’è un posto che è molto più freddo di così, և paradossalmente, è molto più vicino a casa. In effetti, è solo a circa un milione di miglia di distanza, e in questo momento, seduto su soli 6 Kelvin, un pezzo di silicio sul piano focale di uno dei principali strumenti del telescopio spaziale James Webb rende la superficie di Plutone abbastanza liscia. .

La profondità del freddo sul web è ancora più sorprendente, poiché la temperatura è di soli 324 K (123 F, 51 C) a una distanza di un metro. Vale la pena dare un’occhiata al modo in cui i sistemi di raffreddamento del Webb sono pieni di dettagli ingegneristici interessanti mentre il nuovissimo telescopio spaziale del mondo si prepara per la visualizzazione.

Non abbastanza freddo

Probabilmente la prima domanda più ovvia sulle criptovalute nello spazio è: Lo spazio, specialmente attorno all’orbita dell’alone Web2 attorno a Lagrange L2, non è già abbastanza freddo? In breve, no, gli strumenti di Webb sono per l’astronomia a infrarossi, l’universo non è abbastanza freddo da nessuna parte. Ma cosa c’è di così speciale nell’astronomia a infrarossi, perché richiede una temperatura così bassa?

Il James Webb Space Telescope è sempre stato considerato un telescopio a infrarossi sin dal suo inizio. Questo perché gli oggetti che Webb intendeva studiare sono tra i più antichi dell’universo.∵ւ La legge di Hubble ci dice che più un oggetto è lontano dalla Terra, più luminosa sarà la sua luce. modificato a causa dell’effetto Doppler. Ciò significa che la luce di quasi tutto ciò su cui è focalizzato il Webb si trova nella parte infrarossa dello spettro. I quattro kit spettrografici di imaging di Webb possono coprire solo circa 0,6 μm del bordo visibile dello spettro fino a una lunghezza d’onda dell’infrarosso medio di circa 28 μm. A titolo informativo, le microonde partono da una lunghezza d’onda di circa 100 micron, quindi la frequenza della luce progettata per studiare il Web non è molto superiore a quella della radio dello spettro elettromagnetico.

Il problema con l’astronomia a infrarossi è che i sensori utilizzati per percepire la luce sono facilmente soppressi dal calore dell’ambiente circostante, che si irradia nella regione dell’infrarosso. I fotosensori utilizzati nei telescopi a infrarossi sono soggetti a corrente oscura, che scorre attraverso il sensore anche quando su di esso c’è luce. La corrente oscura è principalmente causata dall’eccitazione termica degli elettroni all’interno del materiale del sensore, quindi mantenere il sensore il più freddo possibile aiuta notevolmente a ridurre il rumore.

C’è il raffreddore, poi c’è il MIRI Cold

Come già accennato, Webb ha quattro strumenti principali. Tre di loro: la fotocamera nel vicino infrarosso (NEARCam), lo spettrografo nel vicino infrarosso (NEARSpec), l’indicatore di regolazione fine, l’illustratore nel vicino infrarosso, lo spettrografo senza apertura (FGS-NIRISS), tutti loro. spettro, come suggeriscono i loro nomi. L’infrarosso più vicino è appena al di sotto della parte visibile dello spettro, da circa 0,6 a 5,0 micron. Questi sensori di lunghezza d’onda utilizzano una miscela di mercurio, cadmio և tellurio (Hg: Cd: Te) e richiedono un raffreddamento a circa 70 Kelvin.

Sensore MIRI, 1024 × 1024 pixel, un sensore al silicio contenente arsenico montato nel suo modulo sul piano focale. Cryocular abbasserà questo sensore a 6K. Fonte: NASA/JPL

Per i telescopi IR vicini al suolo, i sensori Hg: Cd: Te sono generalmente raffreddati con azoto liquido. Il Webb, tuttavia, ha un’altra opzione, grazie a un massiccio scudo solare a cinque strati che protegge l’osservatorio dalla luce cocente del sole, così come dalla luce della Terra, che è sempre nell’orbita del telescopio. nel campo visivo. Le strisce di schermatura in alluminio Kapton di Webb sono divise in modo che l’IR salti casualmente tra gli strati adiacenti, irradiandosi infine nello spazio più o meno verticalmente sull’impiallacciatura protettiva, senza penetrare attraverso gli strati nella sua ottica sensibile al buio. Il rivestimento protettivo Ar riceve 200 kW di energia sul lato caldo, consentendo il passaggio di soli 23 MW sul lato freddo. Ciò consente agli strumenti che si trovano lì di essere freddi a 40 K, che è abbastanza freddo per tre strumenti IR vicini.

Ma non importa quanto sia freddo sopra i 40 Kelvin, è ancora molto caldo per i sensori del quarto gadget di base di Webb. Il Medium Infrared Illustrator, o MIRI, è progettato per catturare immagini da 5 a 28 micron per l’osservazione spettrografica, che richiede un sensore completamente diverso rispetto ai suoi cugini IR. Invece di Hg:Cd:Te, il sensore MIRI è a base di silicio arsenico (Si:As), che deve essere congelato molto vicino allo zero assoluto, inferiore a 7 Kelvin.

Sembra piuttosto freddo

Il progetto originale di Webb per il MIRI richiedeva che la temperatura estremamente fredda fosse fornita da un pallone Dewar contenente idrogeno solido criogenico. La scelta del sistema criogenico immagazzinato è stata effettuata in base all’immaturità dei sistemi criogenici attivi classificati nello spazio, che in quel momento possono raggiungere i 6K. Tuttavia, i famigerati ritardi di Webb hanno consentito lo sviluppo della tecnologia di crioconservazione, dato il risparmio di peso offerto dalla crioconservazione attiva, per non parlare della possibilità di utilizzare MIRI più a lungo. È stato deciso di sostituire Cryogen Devar.

Questo, ovviamente, non era privo di sfide ingegneristiche. La più importante di queste era la capacità di colpire a temperature target pur rimanendo entro i limiti di potenza և peso senza aumentare le vibrazioni meccaniche dell’ottica sensibile. Entrambe queste caratteristiche erano particolarmente difficili date le notevoli dimensioni di Webb և la disposizione fisica dell’osservatorio, che ha portato all’espansione dei gruppi di crioconservazione in tre diverse aree della navicella, ciascuna con diversi regimi di temperatura.

Schema di layout Crybool su Webb. La regione 3 ha compressori: elettronica di controllo, la regione 2 copre le linee del refrigerante fino alla cassetta degli attrezzi e la regione 1 ha l’estremità fredda sul piano focale. Fonte: GAO attraverso la NASA

L’area più calda designata per la Regione 3 si trova sullo Space Shuttle. È sul lato caldo del sole, il che significa che può aspettarsi temperature fino a 300 K o più. L’installazione in quest’area è costituita principalmente dal sistema criocompressore (CCA) e dalla relativa elettronica di controllo. Il CCA è l’intero sistema “precursore” che utilizza un tubo a impulsi a tre stadi per raggiungere una temperatura di circa 18 K. I frantoi tubi a impulsi non hanno parti mobili, fatta eccezione per i cilindri, che vengono utilizzati per generare onde di pressione, il che li rende eccellenti. tali programmi con basse vibrazioni.

Il processo di raffreddamento del tubo a impulsi si basa su termostati per trasferire il calore. In termoacustica, un’onda stazionaria viene creata nel gas di lavoro (elio, nel caso di Webb cryocools) in un tubo chiuso. Il tappo perforato, chiamato rigeneratore o recuperatore, si trova all’interno del tubo, in piedi vicino a uno dei nodi dell’onda. Quando il gas di lavoro si comprime e si espande, sul rigeneratore si forma un gradiente di temperatura. L’estremità calda del tubo a impulsi emette calore nello spazio attraverso uno scambiatore di calore, mentre l’estremità fredda viene utilizzata per rimuovere il calore da uno scambiatore di calore a circuito chiuso, anch’esso riempito con elio. Il video qui sotto illustra perfettamente il principio del raffreddamento termoacustico.

https://www.youtube.com/watch?v=kkBBkQ8jFRY:

L’elio congelato, ora a circa 18 K, entra nella Zona 2, che si trova all’interno della torre che sostiene lo specchio frontale di Webb. Le temperature in questa regione vanno da 100 K a circa 300 K, և l’elio superfreddo deve passare attraverso un tubo di due metri per raggiungere il punto focale del telescopio, quindi è stato fatto molto lavoro di ingegneria per assicurarsi che non lo faccia. Trasferimento di calore indesiderato.

Al termine del suo viaggio attraverso la Zona 2, il refrigerante raggiunge il cuore della Zona 1, il piano focale del MIRI. Questa zona è già di circa 40 K a causa delle fasi di raffreddamento passivo precedentemente pianificate, ma il refrigerante passa attraverso la valvola Jules-Thomson per abbassare la temperatura finale a 6 K. La valvola JT utilizza l’effetto Joule-Thompson per raffreddare ulteriormente il fluido di lavoro dell’elio.

Il criorefrigeratore di Webb dopo il test. I cilindri d’argento puntano a sinistra con un compressore d’inversione orizzontale a due cilindri, mentre la torre contiene il tubo a impulsi, il rigeneratore. Il gruppo valvola Joule-Thompson non è mostrato. Fonte: NASA/JPL

Jules Thomson afferma che al diminuire della pressione del gas, diminuisce anche la sua temperatura. Questo è qualcosa che abbiamo già visto tutti, ad esempio, quando si forma la brina all’esterno di un contenitore d’aria polveroso o si forma una nuvola di goccioline d’acqua quando un cannone ad aria spara nell’aria. Cold Head Assembly (CHA) di Webb All’interno del MIRI, una speciale valvola consente alla pressione dell’elio superfreddo di diminuire improvvisamente, facendola scendere a 6 K և per congelare il blocco di rame su cui sono montati i sensori MIRI. L’elio viene ricondotto attraverso la valvola JT e ricondotto al CCA da un sistema a circuito chiuso.

Per ora, la criptovaluta di Webb colpisce tutti i suoi indicatori e rende felice MIRI. Al momento in cui scrivo, la temperatura del piano focale del MIRI è stata costantemente al di sotto del target di 7 K per più di 14 giorni, mentre gli altri strumenti IR sono ben al di sotto del target di 40 K. Speriamo di vedere presto i risultati di questi strumenti.

Il punto naturale più freddo del sistema solare potrebbe essere in realtà i “crateri a doppia ombra” del polo sud della Luna, a soli 25 K. Povero Plutone, mai rispetto.

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