Enfriador criogénico Webb/NASA

El dispositivo de enfriamiento del 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 crioenfriador 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 señales de luz infrarroja en señales eléctricas para procesarlas en imágenes, deben estar fríos para funcionar correctamente. Normalmente, 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, se limita 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 micrones a 5 micrones). Estos instrumentos tienen detectores formulados con Mercurio-Cadmio-Teluuro (HgCdTe), que funcionan idealmente para Webb a 37 kelvin. Podemos hacer que tengan este frío 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 de 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 "crioenfriador" dedicado 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 fue tomada después de que el crioenfriador completó las pruebas y fue sacado de la cámara de prueba en preparación para ser colocado en su contenedor de envío. Imagen: NASA/JPL-Caltech

El instrumento MIRI. MIRI funciona a temperaturas de no más de 6,7 grados sobre el cero absoluto, o menos 448 grados Fahrenheit. Crédito: NASA/Chris Gunn

La electrónica Cryocooler durante las pruebas. Imagen: NASA/JPL-Caltech

El crioenfriador de Webb ha avanzado lo último en crioenfriadores para vuelos espaciales de esta clase de potencia y temperatura de dos maneras:

Además, uno de los requisitos más exigentes del crioenfriador es la baja vibración. Los niveles de vibración deben ser muy bajos para evitar la vibración (sacudidas inducidas) de la óptica y las consiguientes imágenes borrosas. La refrigeración por tubo de impulsos en el preenfriador del CCA y la refrigeración por efecto Joule-Thomson en el CHA no tienen piezas móviles. Las únicas piezas móviles en el crioenfriador son las dos bombas de pistón horizontalmente opuestos de dos 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 mayor parte y, por lo tanto, se minimiza. .

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

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

El crioenfriador Webb MIRI es básicamente un sofisticado frigorífico con sus piezas distribuidas por todo el observatorio. La pieza principal es el conjunto del compresor Cryocooler (CCA). Es una bomba de calor que consta de un preenfriador que genera aproximadamente 1/4 vatio de potencia de enfriamiento a aproximadamente 14 kelvin (utilizando 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 impulsos, que intercambian calor con un regenerador de forma acústica. La bomba de alta eficiencia es otro dispositivo de dos cilindros con pistones horizontalmente opuestos 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 tuberías al MIRI, que está aproximadamente a 10 metros de distancia en el módulo de instrumentos científicos integrados. (ISIM). El CCA está controlado por el conjunto electrónico de control del enfriador criogénico (CCEA), que es un conjunto de cajas electrónicas montadas en el bus de la nave espacial dentro del panel de equipos de babor. El CCA está conectado al ISIM a través del Cryocooler Tower Assembly (CTA), que es un par de tubos de acero inoxidable chapados en oro (una línea de alimentación y una línea de retorno), cada uno de aproximadamente 2 milímetros de diámetro, sostenidos cada pie aproximadamente por una serie de delicados conjuntos 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 crioenfriador llamado Cryocooler ColdHead Assembly (CHA), que reside en el ISIM. Dentro de las tuberías de CHA, dentro de un cilindro chapado en oro aproximadamente 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 produce la expansión y el enfriamiento final del gas helio. hasta unos 6 kelvin, cuidado del efecto Joule-Thomson (JT). Este gas 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 fijado 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 nominalmente alrededor de 6,2 kelvin. El CHA también contiene válvulas que permiten que el helio evite la restricción del JT cuando el observatorio y el 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 asemejan a conexiones de líneas de frenos hidráulicos de automóviles.