À propos de Aussi froid qu’il fait : le cryorefroidisseur du télescope Webb

Si on vous demandait de nommer l’endroit le plus froid du système solaire, il y a de fortes chances que vous pensiez qu’il se situerait le plus loin possible de la source ultime de toute l’énergie du système : le Soleil. Il va de soi que plus vous vous éloignez de quelque chose de chaud, plus la chaleur se propage. Et donc Pluton, planète ou non, pourrait être une bonne estimation pour la basse température record.

Mais, pour aussi froid que Pluton devient – jusqu’à 40 Kelvin – il y a un endroit beaucoup, beaucoup plus froid que cela, et paradoxalement, beaucoup plus proche de chez nous. En fait, il n’est qu’à environ un million de kilomètres, et en ce moment, assis à seulement 6 Kelvin, le morceau de silicium au plan focal de l’un des principaux instruments à bord du télescope spatial James Webb rend la surface de Pluton carrément douce. .

La profondeur du froid sur Webb est d’autant plus étonnante qu’à quelques mètres seulement, la température est de 324 K (123 F, 51 C). Le comment et le pourquoi des systèmes de refroidissement de Webb regorgent de détails techniques intéressants et méritent un examen approfondi alors que le plus récent télescope spatial au monde se prépare pour les observations.

Pas assez froid

La première question la plus évidente concernant les cryoréfrigérateurs dans l’espace est probablement : pourquoi diable Webb a-t-il même besoin d’un cryoréfrigérateur ? L’espace, en particulier la zone autour de l’orbite du halo de Webb autour du point de Lagrange L2, n’est-il pas déjà assez froid ? En un mot, non – l’astronomie infrarouge pour laquelle les instruments de Webb sont conçus, l’espace est loin d’être assez froid. Mais qu’y a-t-il de si spécial dans l’astronomie infrarouge et pourquoi nécessite-t-elle des températures aussi basses ?

Dès ses premières conceptions, ce qui allait devenir le télescope spatial James Webb a toujours été conçu comme un télescope infrarouge. C’est parce que les objets que Webb était destiné à étudier sont parmi les objets les plus anciens de l’univers, et la loi de Hubble nous dit que plus un objet est éloigné, plus il s’éloigne rapidement de la Terre, la lumière d’eux sera dramatiquement rouge- décalé grâce à l’effet Doppler. Cela signifie que la lumière de pratiquement tout ce vers quoi Webb sera pointé se situe quelque part dans la partie infrarouge du spectre. Les quatre ensembles d’instruments d’imagerie et de spectrographie de Webb peuvent couvrir du bord même de la partie visible du spectre, autour d’une longueur d’onde de 0,6 μm, jusqu’aux longueurs d’onde de l’infrarouge moyen autour de 28 μm. Pour référence, les micro-ondes commencent à des longueurs d’onde d’environ 100 μm, de sorte que la fréquence de la lumière que Webb est conçu pour étudier n’est pas si loin au-dessus de la partie radio du spectre électromagnétique.

Le problème avec l’astronomie infrarouge est que les capteurs utilisés pour capter la lumière sont facilement submergés par la chaleur de leur environnement, qui rayonne dans la région infrarouge. De plus, les photocapteurs utilisés dans les télescopes infrarouges sont sensibles au courant d’obscurité, qui est un flux de courant dans le capteur même en l’absence de lumière tombant dessus. Le courant d’obscurité est principalement causé par la stimulation thermique des électrons dans le matériau du capteur, donc garder le capteur aussi froid que possible contribue grandement à réduire le bruit.

Il y a le froid, et puis il y a MIRI Cold

Comme indiqué précédemment, Webb dispose de quatre instruments principaux. Trois d’entre eux – la caméra proche infrarouge (NEARCam), le spectrographe proche infrarouge (NEARSpec) et le capteur de guidage fin et imageur proche infrarouge et spectrographe sans fente (FGS-NIRISS) – fonctionnent tous dans la partie proche infrarouge de le spectre, comme leurs noms l’indiquent. Le proche infrarouge se situe juste en dessous de la partie visible du spectre, autour de 0,6 à 5,0 μm. Les capteurs pour ces longueurs d’onde utilisent un alliage de mercure, de cadmium et de tellure (Hg:Cd:Te) et nécessitent un refroidissement à environ 70 Kelvin pour être utilisables.

Le capteur de MIRI, un capteur au silicium dopé à l’arsenic de 1024 × 1024 pixels monté dans son module de plan focal. Le cryocooler fera descendre ce capteur à 6 K. Source : NASA/JPL

Pour les télescopes proches infrarouges terrestres, le refroidissement des capteurs Hg:Cd:Te se fait généralement avec de l’azote liquide. Sur Webb, cependant, une autre option est disponible, grâce au pare-soleil massif à cinq couches qui protège l’observatoire de la lumière ardente du Soleil, ainsi que de la lumière réfléchie par la Terre, qui, grâce à l’orbite du halo du télescope, est toujours en vue. Les couches du pare-soleil Kapton aluminisé de Webb sont espacées de telle sorte que l’IR incident rebondit entre les couches adjacentes et finit par rayonner dans l’espace plus ou moins perpendiculairement au pare-soleil, plutôt que de pénétrer à travers les couches jusqu’à l’optique sensible de son côté obscur. Le pare-soleil reçoit de l’ordre de 200 kW d’énergie du côté chaud, tout en ne laissant passer que 23 mW du côté froid. Cela maintient les instruments situés là-bas à un froid glacial de 40 K, ce qui est suffisamment froid pour les trois instruments proches de l’infrarouge.

Mais aussi froid que puisse être 40 Kelvins au-dessus du zéro absolu, il fait encore beaucoup trop chaud pour les capteurs du quatrième des principaux instruments de Webb. Le Mid-Infrared Imager, ou MIRI, est conçu pour prendre des images et faire des observations spectrographiques de 5 à 28 μm, ce qui nécessite un capteur entièrement différent de ses cousins ​​proche infrarouge. Plutôt que Hg:Cd:Te, le capteur de MIRI est basé sur du silicium dopé à l’arsenic (Si:As), qui doit être refroidi très près du zéro absolu – moins de 7 Kelvin.

Ça sonne assez froid

Dans les conceptions originales de Webb, la température ultra-froide nécessaire pour MIRI allait être fournie par un flacon Dewar contenant une substance cryogénique : l’hydrogène solide. Le choix d’un système cryogénique stocké a été fait en raison de l’immaturité des systèmes de cryorefroidissement actifs spatiaux capables d’atteindre 6 K à l’époque. Cependant, les retards désormais tristement célèbres de Webb ont permis à la technologie de cryorefroidisseur de se développer, et à la lumière des économies de poids qu’un cryorefroidisseur actif offrait, sans parler de la possibilité d’utiliser MIRI plus longtemps – l’instrument serait inutile une fois que l’hydrogène solide aurait complètement bouilli – le décision a été prise de remplacer le Dewar cryogénique.

Ce n’était pas sans défis d’ingénierie, bien sûr. Le principal d’entre eux était la capacité d’atteindre la température cible tout en respectant les contraintes de puissance et de poids, et en n’ajoutant pas de vibrations mécaniques excessives à l’optique sensible. Ces deux spécifications étaient particulièrement difficiles compte tenu de la taille même de Webb et de la disposition physique de l’observatoire, ce qui a rendu nécessaire la répartition des assemblages de cryorefroidisseurs sur trois zones différentes du vaisseau spatial, chacune avec des régimes thermiques différents à gérer.

Schéma de la disposition du cryorefroidisseur sur Webb. La région 3 a les compresseurs et l’électronique de contrôle, la région 2 couvre les lignes de réfrigérant jusqu’à l’ensemble d’instruments, et la région 1 est l’extrémité froide au plan focal. La source. GAO via la NASA

La région la plus chaude, désignée Région 3, est située dans le bus spatial. Il se trouve du côté chaud du pare-soleil, ce qui signifie qu’il peut s’attendre à voir des températures allant jusqu’à 300 K environ. L’ensemble qui est monté dans cette région se compose principalement de l’ensemble du compresseur du cryorefroidisseur (CCA) et de son électronique de commande associée. Le CCA est le « pré-refroidisseur » de l’ensemble du système, utilisant une conception de tube à impulsion à trois étages pour atteindre des températures d’environ 18 K. Les cryorefroidisseurs à tube à impulsion n’ont pas de pièces mobiles à part les pistons utilisés pour générer les ondes de pression, ce qui les rend excellents pour applications à faible vibration comme celle-ci.

Le processus de réfrigération par tube pulsé repose sur la thermoacoustique pour transférer la chaleur. En thermoacoustique, une onde stationnaire est créée dans un gaz de travail (l’hélium dans le cas du cryorefroidisseur de Webb) dans un tube scellé. Un bouchon poreux, appelé régénérateur ou récupérateur, se trouve à l’intérieur du tube, à proximité de l’un des nœuds de l’onde stationnaire. Lorsque le gaz de travail est comprimé et détendu, un gradient de température s’établit à travers le régénérateur. L’extrémité chaude du tube à impulsion rayonne la chaleur dans l’espace via un dissipateur thermique, tandis que l’extrémité froide est utilisée pour évacuer la chaleur d’un échangeur de chaleur en boucle fermée, également chargé d’hélium. La vidéo ci-dessous présente une excellente démonstration du principe du refroidissement thermoacoustique.

L’hélium refroidi, maintenant à environ 18 K, entre dans la zone 2, qui se trouve dans la tour qui supporte le miroir primaire de Webb. La température dans cette région est comprise entre 100 K et presque 300 K, et l’hélium super froid doit traverser environ deux mètres de tube pour atteindre les instruments au foyer du télescope. transfert de chaleur indésirable.

À la fin de son voyage à travers la zone 2, le réfrigérant atteint le cœur de la zone 1 – le plan focal de MIRI lui-même. Cette zone est déjà à environ 40 K grâce aux étapes de refroidissement passif décrites précédemment, mais pour amener le réfrigérant à sa température finale de 6 K, il passe à travers ce qu’on appelle une vanne Joule-Thomson. La vanne JT utilise l’effet Joule-Thompson pour refroidir davantage le fluide de travail à l’hélium.

Le cryorefroidisseur de Webb après avoir subi des tests. Les cylindres argentés à gauche abritent le compresseur à double piston opposé horizontalement, tandis que la tour noire contient le tube à impulsions et le régénérateur. L’ensemble de soupape Joule-Thompson n’est pas représenté. Source : NASA/JPL

Joule-Thomson dit que lorsque la pression d’un gaz est réduite, sa température est également réduite. C’est quelque chose que nous avons tous déjà vu, comme lorsque du givre se forme à l’extérieur d’une bombe à air comprimé, ou le nuage de gouttelettes d’eau qui se forme lorsqu’un canon à air projette un projectile dans les airs. Dans l’assemblage de tête froide (CHA) de Webb à l’intérieur de MIRI, une vanne spéciale permet à la pression de l’hélium superfroid de chuter soudainement, la faisant chuter à environ 6 K et refroidissant un bloc de cuivre sur lequel les capteurs MIRI sont montés. L’hélium est renvoyé à travers la vanne JT et redescendu dans le tube vers le CCA, dans un système en boucle fermée.

Jusqu’à présent, le système de cryorefroidisseur de Webb atteint tous ses objectifs et satisfait MIRI. Au moment d’écrire ces lignes, la température au niveau du plan focal MIRI s’est maintenue régulièrement en dessous du point de consigne de 7 K pendant plus de 14 jours, les autres instruments proches de l’IR se tenant bien en dessous de leur objectif de 40 K. En espérant que nous verrons bientôt les résultats de ces instruments.

Et juste pour mémoire, l’endroit naturel le plus froid du système solaire pourrait en fait être les « cratères à double ombre » sur le pôle sud de la Lune, à seulement 25 K. Pauvre Pluton – jamais aucun respect.