Crioraffreddatore Webb/NASA

Il dispositivo di raffreddamento per lo strumento del medio infrarosso, o MIRI, uno dei quattro strumenti del James Webb Space Telescope. Il MIRI richiede una temperatura operativa inferiore rispetto agli altri strumenti Webb, il criorefrigeratore soddisfa questo requisito. Immagine: NASA/JPL-Caltech

Essendo un osservatorio astronomico a infrarossi estremamente sensibile, l'ottica e gli strumenti scientifici del James Webb Space Telescope devono essere freddi per sopprimere il "rumore" di fondo infrarosso. Inoltre, i rilevatori all'interno di ogni strumento scientifico, che convertono i segnali di luce infrarossa in segnali elettrici per l'elaborazione in immagini, devono essere freddi per funzionare correttamente. Tipicamente, maggiore è la lunghezza d'onda della luce infrarossa, più freddo deve essere il rilevatore per eseguire questa conversione, limitando allo stesso tempo la generazione di elettroni "rumore" casuali.

Tre dei quattro strumenti scientifici di Webb "vedono" sia la luce visibile più rossa che la luce del vicino infrarosso (luce con lunghezze d'onda da 0,6 micron a 5 micron). Questi strumenti sono dotati di rilevatori formulati con mercurio-cadmio-tellururo (HgCdTe), che funzionano idealmente per Webb a 37 Kelvin. Possiamo farli raffreddare così tanto nello spazio "passivamente", semplicemente in virtù del design di Webb, che include un parasole grande quanto un campo da tennis.

Tuttavia, il quarto strumento scientifico di Webb, il Mid-infrared Instrument, o MIRI, "vede" la luce del medio infrarosso (MIR) a lunghezze d'onda comprese tra 5 e 28 micron. Per necessità, i rilevatori MIRI hanno una formulazione diversa (silicio drogato con arsenico (Si:As)), che deve trovarsi a una temperatura inferiore a 7 Kelvin per funzionare correttamente. Questa temperatura non è possibile su Webb solo con mezzi passivi, quindi Webb porta con sé un "criorefrigeratore" dedicato al raffreddamento dei rilevatori MIRI.

−

Questa immagine mostra il dispositivo di raffreddamento del Mid-Infrared Instrument, o MIRI, uno dei quattro strumenti del James Webb Space Telescope. Questa foto è stata scattata dopo che il criorefrigeratore aveva completato i test ed è stata portata fuori dalla camera di prova in preparazione per essere collocata nel suo contenitore di spedizione. Immagine: NASA/JPL-Caltech

Lo strumento MIRI. Il MIRI funziona a temperature non superiori a 6,7 ​​gradi sopra lo zero assoluto o meno 448 gradi Fahrenheit. Credito: NASA/Chris Gunn

L'elettronica del criorefrigeratore durante i test. Immagine: NASA/JPL-Caltech

Il criorefrigeratore di Webb ha fatto avanzare lo stato dell'arte dei criorefrigeratori per voli spaziali di questa classe di potenza e temperatura in due modi:

Inoltre, uno dei requisiti più impegnativi del criorefrigeratore è la bassa vibrazione. I livelli di vibrazione devono essere molto bassi per evitare il jitter (scuotimento indotto) dell'ottica e le risultanti immagini sfocate. Il raffreddamento del tubo a impulsi nel preraffreddatore del CCA e il raffreddamento ad effetto Joule-Thomson del CHA non hanno parti mobili. Le uniche parti mobili nel criorefrigeratore sono le due pompe a pistoni orizzontalmente opposti a 2 cilindri del CCA e, avendo pistoni orizzontalmente opposti che sono finemente bilanciati e sintonizzati e si muovono in un'opposizione praticamente perfetta, le vibrazioni vengono per lo più annullate e quindi ridotte al minimo. .

Per ulteriori informazioni consultare l'articolo di approfondimento su MIRI e il criorefrigeratore su NASA.gov.

Il gruppo compressore del criorefrigeratore. Questa foto mostra il criorefrigeratore di volo installato "capovolto" in una camera a vuoto per i test, prima che la camera fosse chiusa. Immagine: NASA/JPL-Caltech

Il criorefrigeratore Webb MIRI è fondamentalmente un sofisticato frigorifero con i suoi pezzi distribuiti in tutto l'osservatorio. Il pezzo principale è il gruppo compressore criorefrigeratore (CCA). Si tratta di una pompa di calore composta da un preraffreddatore che genera circa 1/4 Watt di potenza di raffreddamento a circa 14 Kelvin (utilizzando gas elio come fluido di lavoro) e una pompa ad alta efficienza che fa circolare il refrigerante (anche gas elio) raffreddato per conduzione con il preraffreddatore, a MIRI. Il preraffreddatore è dotato di una pompa a due cilindri contrapposti orizzontalmente e raffredda il gas elio mediante tubi a impulsi, che scambiano acusticamente il calore con un rigeneratore. La pompa ad alta efficienza è un altro dispositivo a pistone orizzontale a due cilindri contrapposti che fa circolare un lotto diverso di gas elio separato dall'elio del preraffreddatore.