Refrigerador criogénico Webb/NASA

El dispositivo de enfriamiento para el instrumento de infrarrojo medio, o MIRI, uno de los cuatro instrumentos del telescopio espacial James Webb. El MIRI requiere una temperatura de funcionamiento más baja que los otros instrumentos de Webb, el enfriador criogénico se adapta a este requisito. Imagen: NASA/JPL-Caltech

Al ser un observatorio astronómico infrarrojo exquisitamente sensible, la óptica y los instrumentos científicos del Telescopio Espacial James Webb deben estar fríos para suprimir el "ruido" de fondo infrarrojo. Además, los detectores dentro de cada instrumento científico, que convierten las señales de luz infrarroja en señales eléctricas para procesarlas en imágenes, deben estar fríos para funcionar correctamente. Por lo general, cuanto más larga es la longitud de onda de la luz infrarroja, más frío debe estar el detector para realizar esta conversión y, al mismo tiempo, limitar la generación de electrones de "ruido" aleatorios.

Tres de los cuatro instrumentos científicos de Webb "ven" tanto la luz visible más roja como la luz infrarroja cercana (luz con longitudes de onda de 0,6 micras a 5 micras). Estos instrumentos tienen detectores formulados con mercurio-cadmio-telururo (HgCdTe), que funcionan idealmente para Webb a 37 kelvin. Podemos mantenerlos así de fríos en el espacio "pasivamente", simplemente gracias al diseño de Webb, que incluye un parasol del tamaño de una cancha de tenis.

Sin embargo, el cuarto instrumento científico de Webb, el instrumento de infrarrojo medio, o MIRI, "ve" la luz del infrarrojo medio (MIR) en longitudes de onda de 5 a 28 micrones. Por necesidad, los detectores de MIRI son una formulación diferente (silicio dopado con arsénico (Si:As)), que deben estar a una temperatura inferior a 7 kelvin para funcionar correctamente. Esta temperatura no es posible en Webb solo por medios pasivos, por lo que Webb lleva un "refrigerador criogénico" que se dedica a enfriar los detectores de MIRI.

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Esta imagen muestra el dispositivo de enfriamiento del instrumento de infrarrojo medio, o MIRI, uno de los cuatro instrumentos del telescopio espacial James Webb. Esta foto se tomó después de que el enfriador criogénico completó la prueba y se sacó de la cámara de prueba para prepararlo para colocarlo en su contenedor de envío. Imagen: NASA/JPL-Caltech

El instrumento MIRI. MIRI opera a temperaturas de no más de 6,7 grados por encima del cero absoluto, o menos 448 grados Fahrenheit. Crédito: NASA/Chris Gunn

La electrónica del refrigerador criogénico durante las pruebas. Imagen: NASA/JPL-Caltech

El enfriador criogénico de Webb ha avanzado el estado del arte en los enfriadores criogénicos para vuelos espaciales de esta clase de potencia y temperatura de dos maneras:

Además, uno de los requisitos más desafiantes del enfriador criogénico es la baja vibración. Los niveles de vibración deben ser muy bajos para evitar la fluctuación (movimiento inducido) de la óptica y las imágenes borrosas resultantes. El enfriamiento del tubo de pulso en el preenfriador en el CCA y el enfriamiento por efecto Joule-Thomson en el CHA no tienen partes móviles. Las únicas partes móviles en el enfriador criogénico son las dos bombas de pistón horizontalmente opuestas de 2 cilindros en el CCA, y al tener pistones horizontalmente opuestos que están finamente equilibrados y ajustados y se mueven en una oposición prácticamente perfecta, la vibración se cancela en su mayoría y, por lo tanto, se minimiza .

Para obtener información adicional, consulte el artículo destacado sobre MIRI y el enfriador criogénico en NASA.gov.

El conjunto del compresor del enfriador criogénico. Esta foto muestra el enfriador criogénico de vuelo instalado "al revés" en una cámara de vacío para realizar pruebas, antes de que se cerrara la cámara. Imagen: NASA/JPL-Caltech

El crioenfriador Webb MIRI es básicamente un sofisticado refrigerador con sus piezas distribuidas por todo el observatorio. La pieza principal es el ensamblaje del compresor del enfriador criogénico (CCA). Es una bomba de calor que consta de un preenfriador que genera aproximadamente 1/4 Watt de potencia de enfriamiento a aproximadamente 14 Kelvin (usando gas helio como fluido de trabajo) y una bomba de alta eficiencia que hace circular refrigerante (también gas helio) enfriado por conducción con el preenfriador. a MIRI. El preenfriador cuenta con una bomba de dos cilindros opuestos horizontalmente y enfría el gas helio mediante tubos de pulsos, que intercambian calor acústicamente con un regenerador. La bomba de alta eficiencia es otro dispositivo de pistón opuesto horizontalmente de dos cilindros que hace circular un lote diferente de gas helio separado del helio del preenfriador.

El CCA está ubicado en el corazón del autobús de la nave espacial, en el lado "cálido" del observatorio que mira hacia el sol, y preenfría y bombea gas helio frío a través de las tuberías hacia MIRI, que está aproximadamente a 10 metros de distancia en el módulo de instrumentos científicos integrados. (ISIM). El CCA está controlado por el ensamblaje de electrónica de control del enfriador criogénico (CCEA), que es una colección de cajas electrónicas montadas en el bus de la nave espacial dentro del panel de equipo del lado de babor. El CCA está conectado al ISIM a través del ensamblaje de la torre del enfriador criogénico (CTA), que es un par de tubos de acero inoxidable enchapados en oro (una línea de alimentación y una línea de retorno), cada uno de aproximadamente 2 milímetros de diámetro, sostenido cada pie más o menos por una serie de delicados ensamblajes de suspensión (llamados soportes de línea de refrigerante o RLS), montados en el exterior de la estructura del observatorio. El CTA se conecta a la pieza final del enfriador criogénico llamado Conjunto de cabezal frío del enfriador criogénico (CHA), que reside en el ISIM. Dentro de las tuberías del CHA, dentro de un cilindro chapado en oro del tamaño y la forma de una lata de café grande, hay un orificio pequeño (menos de 1 milímetro) por el que pasa el refrigerante de helio enfriado, lo que da como resultado la expansión y el enfriamiento final del gas helio. hasta aproximadamente 6 kelvin, atención del efecto Joule-Thomson (JT). Este gas de helio refrigerado, el más frío, pasa a través de más tubos de 2 milímetros hasta un bloque de cobre del tamaño de la palma de la mano sujeto a la parte posterior de los detectores MIRI. Aquí es donde se intercambia el calor objetivo, lo que resulta en el enfriamiento de los detectores de MIRI a alrededor de 6,2 kelvin nominales. El CHA también contiene válvulas que permiten que el helio pase por alto la restricción JT cuando el observatorio y MIRI están en modo de enfriamiento (como poco después del lanzamiento durante el despliegue y la puesta en servicio). Los tubos CCA, CTA y CHA están conectados entre sí con pares de accesorios de 7/16 de pulgada que en el exterior se parecen a las conexiones de las líneas de frenos hidráulicos de los automóviles.