Casi tan frío como se pone: el enfriador criogénico del telescopio Webb

Si te pidieran que nombraras el lugar más frío del sistema solar, es muy probable que pensaras que estaría en algún lugar lo más alejado posible de la fuente última de toda la energía del sistema: el Sol. Es lógico que cuanto más te alejes de algo caliente, más se propaga el calor. Y entonces, Plutón, planeta o no, podría ser una buena suposición para la temperatura mínima récord.

Pero, a pesar de que Plutón se enfría, hasta 40 Kelvin, hay un lugar mucho, mucho más frío que eso y, paradójicamente, mucho más cerca de casa. De hecho, está a solo un millón de millas de distancia, y en este momento, sentado a solo 6 Kelvin, el trozo de silicio en el plano focal de uno de los principales instrumentos a bordo del telescopio espacial James Webb hace que la superficie de Plutón luzca francamente agradable. .

La profundidad del frío en Webb es aún más sorprendente dado que a solo unos metros de distancia, la temperatura es de 324 K (123 F, 51 C). Los cómo y por qué de los sistemas de enfriamiento de Webb están repletos de interesantes detalles de ingeniería y vale la pena analizarlos en profundidad mientras el telescopio espacial más nuevo del mundo se prepara para las observaciones.

Probablemente la primera pregunta más obvia con respecto a los enfriadores criogénicos en el espacio es: ¿Por qué demonios Webb necesita un enfriador criogénico? ¿No es el espacio, especialmente el área alrededor de la órbita del halo de Webb alrededor del punto L2 de Lagrange, ya lo suficientemente frío? En una palabra, no: la astronomía infrarroja para la que están diseñados los instrumentos de Webb, el espacio no es lo suficientemente frío. Pero, ¿qué tiene de especial la astronomía infrarroja y por qué requiere temperaturas tan bajas?

Desde sus primeros diseños, lo que se convertiría en el Telescopio Espacial James Webb siempre se concibió como un telescopio infrarrojo. Esto se debe a que los objetos que Webb pretendía estudiar se encuentran entre los objetos más antiguos del universo, y la Ley de Hubble nos dice que cuanto más lejos está un objeto, más rápido se aleja de la Tierra, la luz de ellos será dramáticamente roja. desplazado gracias al efecto Doppler. Esto significa que la luz de casi todo lo que apuntará Webb se encuentra en algún lugar de la parte infrarroja del espectro. Los cuatro paquetes de instrumentos espectrográficos y de imágenes de Webb pueden cubrir desde el borde mismo de la parte visible del espectro, alrededor de 0,6 μm de longitud de onda, hasta las longitudes de onda del infrarrojo medio alrededor de 28 μm. Como referencia, las microondas comienzan en longitudes de onda de aproximadamente 100 μm, por lo que la frecuencia de la luz que Webb está diseñado para estudiar no está muy por encima de la parte de radio del espectro electromagnético.

El problema con la astronomía infrarroja es que los sensores que se utilizan para captar la luz se ven abrumados fácilmente por el calor de su entorno, que se irradia en la región infrarroja. Además, los fotosensores utilizados en los telescopios infrarrojos son susceptibles a la corriente oscura, que es un flujo de corriente en el sensor incluso en ausencia de luz que incida sobre él. La corriente oscura es causada principalmente por la estimulación térmica de los electrones dentro del material del sensor, por lo que mantener el sensor lo más frío posible contribuye en gran medida a reducir el ruido.

Como se dijo anteriormente, Webb tiene cuatro instrumentos principales. Tres de ellos, la cámara de infrarrojo cercano (NEARCam), el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NEARSpec) y el sensor de orientación fina y el generador de imágenes de infrarrojo cercano y el espectrógrafo sin ranura (FGS-NIRISS), todos operan en la parte del infrarrojo cercano de el espectro, como sugieren sus nombres. El infrarrojo cercano está justo debajo de la parte visible del espectro, alrededor de 0,6 a 5,0 μm. Los sensores para estas longitudes de onda usan una aleación de mercurio, cadmio y telurio (Hg:Cd:Te) y requieren un enfriamiento de alrededor de 70 Kelvin para poder usarse.

Para los telescopios de infrarrojo cercano basados ​​en la Tierra, el enfriamiento de los sensores de Hg:Cd:Te generalmente se realiza con nitrógeno líquido. En Webb, sin embargo, hay otra opción disponible, gracias al enorme parasol de cinco capas que protege el observatorio de la luz resplandeciente del Sol, así como de la luz reflejada en la Tierra, que gracias a la órbita de halo del telescopio siempre está en vista. Las capas del parasol Kapton aluminizado de Webb están espaciadas de tal manera que el IR incidente rebota entre las capas adyacentes y eventualmente se irradia hacia el espacio más o menos perpendicular al parasol, en lugar de penetrar a través de las capas hacia la óptica sensible en su lado oscuro. El parasol recibe del orden de 200 kW de energía en el lado caliente, mientras que deja pasar sólo 23 mW al lado frío. Esto mantiene los instrumentos ubicados allí a una temperatura gélida de 40 K, que es lo suficientemente fría para los tres instrumentos de infrarrojo cercano.

Pero a pesar de lo frío que puede ser 40 Kelvin por encima del cero absoluto, sigue siendo demasiado caliente para los sensores en el cuarto de los instrumentos principales de Webb. El generador de imágenes de infrarrojo medio, o MIRI, está diseñado para tomar imágenes y hacer observaciones espectrográficas de 5 a 28 μm, lo que requiere un sensor completamente diferente a sus primos de infrarrojo cercano. En lugar de Hg:Cd:Te, el sensor de MIRI se basa en silicio dopado con arsénico (Si:As), que debe enfriarse muy cerca del cero absoluto, menos de 7 Kelvin.

En los diseños originales de Webb, la temperatura ultrafría necesaria para MIRI la proporcionaría un matraz Dewar que contenía una sustancia criogénica: hidrógeno sólido. La elección de un sistema criogénico almacenado se basó en la inmadurez de los sistemas de enfriamiento criogénico activos con capacidad espacial capaces de alcanzar los 6 K en ese momento. Sin embargo, los ahora infames retrasos de Webb permitieron que se desarrollara la tecnología del enfriador criogénico y, a la luz del ahorro de peso que ofrecía un enfriador criogénico activo, sin mencionar el potencial de usar MIRI por más tiempo: el instrumento sería inútil una vez que todo el hidrógeno sólido se hubiera evaporado. se tomó la decisión de reemplazar el Dewar criogénico.

Esto no estuvo exento de desafíos de ingeniería, por supuesto. El principal de ellos fue la capacidad de alcanzar la temperatura objetivo mientras se mantenía dentro de las limitaciones de potencia y peso, y sin agregar vibraciones mecánicas indebidas a la óptica sensible. Ambas especificaciones fueron particularmente desafiantes dado el gran tamaño de Webb y el diseño físico del observatorio, lo que hizo necesario distribuir los conjuntos de enfriadores criogénicos en tres áreas diferentes de la nave espacial, cada una con diferentes regímenes térmicos para tratar.

La región más cálida, denominada Región 3, se encuentra en el bus de la nave espacial. Está en el lado caliente del parasol, lo que significa que puede esperar ver temperaturas de hasta 300 K más o menos. El ensamblaje que está montado en esta región consta principalmente del ensamblaje del compresor del enfriador criogénico (CCA) y su electrónica de control asociada. El CCA es el "preenfriador" de todo el sistema y utiliza un diseño de tubo de pulso de tres etapas para alcanzar temperaturas de alrededor de 18 K. Los crioenfriadores de tubo de pulso no tienen partes móviles aparte de los pistones que se usan para generar las ondas de presión, lo que los hace excelentes para aplicaciones de baja vibración como esta.

El proceso de refrigeración del tubo de pulso se basa en la termoacústica para transferir calor. En termoacústica, se establece una onda estacionaria dentro de un gas de trabajo (helio en el caso del enfriador criogénico de Webb) dentro de un tubo sellado. Un tapón poroso, llamado regenerador o recuperador, se encuentra dentro del tubo, cerca de uno de los nodos de la onda estacionaria. A medida que el gas de trabajo se comprime y expande, se establece un gradiente de temperatura en el regenerador. El extremo caliente del tubo de pulso irradia calor al espacio a través de un disipador de calor, mientras que el extremo frío se usa para eliminar el calor de un intercambiador de calor de circuito cerrado, también cargado con helio. El siguiente video tiene una excelente demostración del principio del enfriamiento termoacústico.

El helio enfriado, ahora a alrededor de 18 K, ingresa a la Zona 2, que está dentro de la torre que soporta el espejo principal de Webb. La temperatura en esta región está entre 100 K y casi 300 K, y el helio superfrío tiene que pasar a través de unos dos metros de tubería para llegar a los instrumentos en el foco del telescopio, por lo que se invirtió una gran cantidad de ingeniería para asegurarse de que no hubiera Transferencia de calor no deseada.

Al final de su viaje a través de la Zona 2, el refrigerante llega al corazón de la Zona 1, el plano focal de MIRI. Esta zona ya está a unos 40 K gracias a los pasos de enfriamiento pasivo descritos anteriormente, pero para que el refrigerante baje a su temperatura final de 6 K, pasa a través de lo que se conoce como válvula Joule-Thomson. La válvula JT utiliza el efecto Joule-Thompson para enfriar aún más el fluido de trabajo de helio.

Joule-Thomson dice que cuando se reduce la presión de un gas, también se reduce su temperatura. Es algo que todos hemos visto antes, como cuando se forma escarcha en el exterior de una lata de aire comprimido, o la nube de gotas de agua que se forma cuando un cañón de aire lanza un proyectil al aire. En el Cold Head Assembly (CHA) de Webb dentro de MIRI, una válvula especial permite que la presión del helio superfrío caiga repentinamente, lo que hace que baje a alrededor de 6 K y enfríe un bloque de cobre sobre el que están montados los sensores MIRI. El helio se vuelve a canalizar a través de la válvula JT y vuelve a bajar por la tubería hasta el CCA, en un sistema de circuito cerrado.

Hasta ahora, el sistema de refrigeración criogénica de Webb está alcanzando todos sus objetivos y manteniendo feliz a MIRI. En el momento de escribir este artículo, la temperatura en el plano focal MIRI se ha mantenido constantemente por debajo del punto de ajuste de 7 K durante más de 14 días, y los demás instrumentos de infrarrojo cercano se han mantenido muy por debajo de su objetivo de 40 K. Esperamos que podamos ver los resultados de estos instrumentos pronto.

Y solo para que conste, el lugar natural más frío del sistema solar podría ser en realidad los "cráteres de doble sombra" en el polo sur de la Luna, a solo 25 K. Pobre Plutón, nunca ningún respeto.