Omtrent like kaldt som det blir: Webb-teleskopets kryokjøler

Hvis du ble bedt om å nevne det kaldeste stedet i solsystemet, er sjansen stor for at du tror det ville være et sted så langt som mulig fra den ultimate kilden til all systemets energi – Solen. Det er naturlig at jo lenger unna du kommer fra noe varmt, jo mer sprer varmen seg. Og så Pluto, planet eller ikke, kan være en god gjetning for den rekordlave temperaturen.

Men for så kaldt som Pluto blir – ned til 40 Kelvin – er det et sted som er mye, mye kaldere enn det, og paradoksalt nok mye nærmere hjemmet. Faktisk er det bare omtrent en million miles unna, og akkurat nå, mens du sitter på bare 6 Kelvin, får silisiumklumpen i brennplanet til et av hovedinstrumentene ombord på James Webb Space-teleskopet overflaten til Pluto til å se direkte lun ut. .

Dybden av kulde på Webb er desto mer forbløffende gitt at bare meter unna er temperaturen sydende 324 K (123 F, 51 C). Hvordan og hvorfor av Webbs kjølesystemer er stappfulle av interessante tekniske godbiter og verdt en grundig titt når verdens nyeste romteleskop gjør seg klar for observasjoner.

Ikke kaldt nok

Sannsynligvis det første mest åpenbare spørsmålet angående kryokjølere i verdensrommet er: Hvorfor i all verden trenger Webb en kryokjøler? Er ikke verdensrommet, spesielt området rundt Webbs gloriebane rundt Lagrange-punkt L2, allerede kaldt nok? Kort sagt, nei – den infrarøde astronomien Webbs instrumenter er designet for, rommet er ikke i nærheten av kaldt nok. Men hva er så spesielt med infrarød astronomi, og hvorfor krever det så lave temperaturer?

Fra de tidligste designene ble det som skulle bli James Webb-romteleskopet alltid tenkt som et infrarødt teleskop. Dette er fordi objektene Webb var ment å studere er blant de eldste objektene i universet, og Hubbles lov forteller oss at jo lenger unna et objekt er, jo raskere beveger det seg bort fra jorden, lyset fra dem vil bli dramatisk rødt. forskjøvet takket være Doppler-effekten. Dette betyr at lyset fra stort sett alt Webb vil bli pekt på ligger et sted i den infrarøde delen av spekteret. Webbs fire avbildnings- og spektrografiske instrumentpakker kan dekke helt fra kanten av den synlige delen av spekteret, rundt 0,6 μm bølgelengde, til de midt-infrarøde bølgelengdene rundt 28 μm. For referanse starter mikrobølger på omtrent 100 μm bølgelengder, så frekvensen til lyset som Webb er designet for å studere er ikke så langt over radiodelen av det elektromagnetiske spekteret.

Problemet med infrarød astronomi er at sensorene som brukes til å fange opp lyset lett blir overveldet av varmen fra omgivelsene, som stråler i det infrarøde området. Fotosensorene som brukes i infrarøde teleskoper er også utsatt for mørk strøm, som er en strømflyt i sensoren selv i fravær av lys som faller på den. Mørk strøm er først og fremst forårsaket av termisk stimulering av elektroner i sensormaterialet, så å holde sensoren så kald som mulig reduserer støyen langt.

Det er kaldt, og så er det MIRI-kaldt

Som nevnt tidligere har Webb fire hovedinstrumenter. Tre av dem – det nær-infrarøde kameraet (NEARCam), det nær-infrarøde spektrografen (NEARSpec), og den fine veiledningssensoren og nær-infrarøde bildeapparatet og spaltefri spektrograf (FGS-NIRISS) – alle opererer i den nær-infrarøde delen av spekteret, som navnene deres antyder. Det nær-infrarøde er like under den synlige delen av spekteret, rundt 0,6 til 5,0 μm. Sensorene for disse bølgelengdene bruker en legering av kvikksølv, kadmium og tellur (Hg:Cd:Te), og krever nedkjøling til rundt 70 Kelvin for å være brukbare.

MIRIs sensor, en 1024×1024 piksler, arsenikkdopet silisiumsensor montert i fokalplanmodulen. Kryokjøleren vil drive denne sensoren ned til 6 K. Kilde: NASA/JPL

For jordbaserte nær-IR-teleskoper gjøres kjøling av Hg:Cd:Te-sensorer vanligvis med flytende nitrogen. På Webb er imidlertid et annet alternativ tilgjengelig, takket være den massive, femlags solskjermen som beskytter observatoriet mot solens brennende lys, samt lyset som reflekteres fra jorden, som takket være teleskopets gloriebane alltid er i sikte. Lagene til Webbs aluminiserte Kapton-solskjerm er plassert slik at innfallende IR spretter mellom tilstøtende lag og til slutt stråler ut i rommet mer eller mindre vinkelrett på solskjermen, i stedet for å trenge gjennom lagene til den følsomme optikken på dens mørke side. Solskjermen mottar i størrelsesorden 200 kW energi på den varme siden, mens den lar bare 23 mW passere til den kalde siden. Dette holder instrumentene plassert der er kjølige 40 K, som er nok kaldt nok for de tre nær-IR-instrumentene.

Men så kaldt som 40 Kelvin over absolutt null kan være, er det fortsatt alt for varmt for sensorene i det fjerde av Webbs primære instrumenter. Mid-Infrared Imager, eller MIRI, er designet for å ta bilder og gjøre spektrografiske observasjoner fra 5 til 28 μm, noe som krever en helt annen sensor enn sine nær-IR-kusiner. I stedet for Hg:Cd:Te, er MIRIs sensor basert på arsenikk-dopet silisium (Si:As), som må avkjøles til svært nær absolutt null – mindre enn 7 Kelvin.

Høres ganske kaldt ut

I de originale Webb-designene skulle den ultrakalde temperaturen som trengs for MIRI bli gitt av en Dewar-kolbe som inneholder et kryogent stoff: fast hydrogen. Valget for et lagret kryogent system ble gjort basert på umodenheten til romklassifiserte aktive kryokjølesystemer som var i stand til å nå 6 K på den tiden. Imidlertid tillot Webbs nå beryktede forsinkelser kryokjølerteknologien å utvikle seg, og i lys av vektbesparelsene tilbød en aktiv kryokjøler, for ikke å nevne potensialet til å bruke MIRI lenger – instrumentet ville være ubrukelig når det faste hydrogenet hadde kokt av – Det ble tatt en beslutning om å erstatte den kryogene Dewar.

Dette var selvfølgelig ikke uten tekniske utfordringer. De viktigste blant disse var muligheten til å treffe måltemperaturen mens man holder seg innenfor kraft- og vektbegrensninger, og ikke tilfører unødig mekanisk vibrasjon til den sensitive optikken. Begge disse spesifikasjonene var spesielt utfordrende gitt den store størrelsen til Webb, og den fysiske utformingen av observatoriet, som gjorde det nødvendig å spre kryokjølerenhetene over tre forskjellige områder av romfartøyet, hver med forskjellige termiske regimer å håndtere.

Skjematisk av kryokjøleroppsettet på Webb. Region 3 har kompressorene og styringselektronikken, Region 2 dekker kjølemiddellinjene frem til instrumentpakken, og Regio 1 er den kalde enden ved fokalplanet. Kilde. GAO via NASA

Den varmeste regionen, betegnet Region 3, ligger i romfartøybussen. Det er på den varme siden av solskjermen, noe som betyr at den kan forvente å se temperaturer opp til 300 K eller så. Monteringen som er montert i denne regionen består hovedsakelig av kryokjøler-kompressorenheten (CCA) og tilhørende kontrollelektronikk. CCA er “forkjøleren” til hele systemet, og bruker en tre-trinns pulsrørdesign for å oppnå temperaturer på ca. 18 K. Pulsrørkryokjølere har ingen bevegelige deler bortsett fra stemplene som brukes til å generere trykkbølgene, noe som gjør dem utmerket for lavvibrasjonsapplikasjoner som dette.

Pulsrørskjøleprosessen er avhengig av termoakustikk for å overføre varme. I termoakustikk settes en stående bølge opp i en arbeidsgass (helium i tilfellet med Webbs kryokjøler) i et forseglet rør. En porøs plugg, kalt en regenerator eller recuperator, sitter inne i røret, nær en av nodene til den stående bølgen. Når arbeidsgassen komprimeres og utvides, oppstår en temperaturgradient over regeneratoren. Den varme enden av pulsrøret stråler varme ut i rommet via en kjøleribbe, mens den kalde enden brukes til å fjerne varme fra en lukket sløyfevarmeveksler, også ladet med helium. Videoen nedenfor har en utmerket demonstrasjon av prinsippet for termoakustisk kjøling.

Det avkjølte heliumet, nå på rundt 18 K, går inn i sone 2, som er innenfor tårnet som støtter Webbs primærspeil. Temperaturen i denne regionen er mellom 100 K og nesten 300 K, og det superkalde heliumet må passere gjennom omtrent to meter med rør for å nå instrumentene ved teleskopets fokus, så det ble brukt mye ingeniørarbeid på å sørge for at det ikke ville være noen uønsket varmeoverføring.

På slutten av turen gjennom sone 2 når kjølemediet hjertet av sone 1 – brennplanet til MIRI selv. Denne sonen er allerede på omtrent 40 K takket være de passive kjøletrinnene som er skissert før, men for å drive kjølemediet ned til den endelige 6 K-temperaturen, passerer det gjennom det som er kjent som en Joule-Thomson-ventil. JT-ventilen bruker Joule-Thompson-effekten for å kjøle ned heliumarbeidsvæsken ytterligere.

Joule-Thomson sier at når trykket til en gass reduseres, reduseres også temperaturen. Det er noe vi alle har sett før, som når det dannes frost på utsiden av en støvdunke, eller skyen av vanndråper som dannes når en luftkanon lobber et prosjektil opp i luften. I Webbs Cold Head Assembly (CHA) inne i MIRI lar en spesiell ventil trykket til det superkalde heliumet falle plutselig, noe som får det til å falle til rundt 6 K og avkjøle en kobberblokk som MIRI-sensorene er montert på. Heliumet ledes tilbake gjennom JT-ventilen og tilbake ned i røret til CCA, i et lukket sløyfesystem.

Så langt treffer Webbs kryokjølersystem alle sine spor og holder MIRI fornøyd. Når dette skrives, har temperaturen ved MIRI-fokalplanet holdt seg jevnt under 7 K settpunktet i mer enn 14 dager, mens de andre nær-IR-instrumentene holdt godt under 40 K-målet. Her håper vi at vi snart får se resultater fra disse instrumentene.

Og bare for ordens skyld kan det være det kaldeste naturlige stedet i solsystemet de “dobbeltskyggede kratrene” på Månens sørpolpå bare 25 K. Stakkars Pluto — aldri noen respekt.