Cryorefroidisseur Webb/NASA

Le dispositif de refroidissement du Mid-Infrared Instrument, ou MIRI, l'un des quatre instruments du télescope spatial James Webb. Le MIRI nécessite une température de fonctionnement inférieure à celle des autres instruments de Webb, le cryorefroidisseur répond à cette exigence. Image : NASA/JPL-Caltech

Étant un observatoire astronomique infrarouge extrêmement sensible, l'optique et les instruments scientifiques du télescope spatial James Webb doivent être froids pour supprimer le "bruit" de fond infrarouge. De plus, les détecteurs à l'intérieur de chaque instrument scientifique, qui convertissent les signaux lumineux infrarouges en signaux électriques pour les transformer en images, doivent être froids pour fonctionner correctement. Typiquement, plus la longueur d'onde de la lumière infrarouge est longue, plus le détecteur doit être froid pour effectuer cette conversion tout en limitant la génération d'électrons de "bruit" aléatoires.

Trois des quatre instruments scientifiques de Webb "voient" à la fois la lumière visible la plus rouge et la lumière proche infrarouge (lumière avec des longueurs d'onde de 0,6 micron à 5 microns). Ces instruments ont des détecteurs formulés avec du mercure-cadmium-tellurure (HgCdTe), qui fonctionnent idéalement pour Webb à 37 kelvin. Nous pouvons les obtenir ce froid dans l'espace "passivement", simplement grâce à la conception de Webb, qui comprend un pare-soleil de la taille d'un court de tennis.

Cependant, le quatrième instrument scientifique de Webb, le Mid-infrared Instrument, ou MIRI, "voit" la lumière dans l'infrarouge moyen (MIR) à des longueurs d'onde de 5 à 28 microns. Par nécessité, les détecteurs de MIRI ont une formulation différente (silicium dopé à l'arsenic (Si:As)), qui doit être à une température inférieure à 7 kelvins pour fonctionner correctement. Cette température n'est pas possible sur Webb par des moyens passifs seuls, donc Webb porte un "cryocooler" qui est dédié au refroidissement des détecteurs de MIRI.

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Cette image montre le dispositif de refroidissement de l'instrument à infrarouge moyen, ou MIRI, l'un des quatre instruments du télescope spatial James Webb. Cette photo a été prise après que le cryoréfrigérateur a terminé les tests et a été sorti de la chambre de test en vue d'être placé dans son conteneur d'expédition. Image : NASA/JPL-Caltech

L'appareil MIRI. MIRI fonctionne à des températures ne dépassant pas 6,7 degrés au-dessus du zéro absolu ou moins 448 degrés Fahrenheit. Crédit : NASA/Chris Gunn

L'électronique Cryocooler pendant les tests. Image : NASA/JPL-Caltech

Le cryorefroidisseur de Webb a fait progresser l'état de l'art dans les cryorefroidisseurs de vol spatial de cette classe de puissance et de température de deux manières :

De plus, l'une des exigences les plus exigeantes du cryorefroidisseur est la faible vibration. Les niveaux de vibration doivent être très faibles pour éviter la gigue (tremblement induit) de l'optique et les images floues qui en résultent. Le refroidissement par tube pulsé dans le prérefroidisseur du CCA et le refroidissement par effet Joule-Thomson dans le CHA n'ont pas de pièces mobiles. Les seules pièces mobiles du cryorefroidisseur sont les deux pompes à pistons à 2 cylindres opposés horizontalement dans le CCA, et en ayant des pistons opposés horizontalement qui sont finement équilibrés et réglés et se déplacent dans une opposition pratiquement parfaite, les vibrations sont en grande partie annulées et donc minimisées.

Pour plus d'informations, consultez l'article de fond sur MIRI et le cryocooler sur NASA.gov.

L'assemblage du compresseur Cryocooler. Cette photo montre le cryorefroidisseur de vol installé "à l'envers" dans une chambre à vide pour les tests, avant la fermeture de la chambre. Image : NASA/JPL-Caltech

Le cryoréfrigérateur Webb MIRI est essentiellement un réfrigérateur sophistiqué dont les pièces sont réparties dans tout l'observatoire. La pièce principale est l'assemblage du compresseur du refroidisseur cryogénique (CCA). Il s'agit d'une pompe à chaleur composée d'un prérefroidisseur qui génère environ 1/4 Watt de puissance de refroidissement à environ 14 kelvin (en utilisant de l'hélium comme fluide de travail) et d'une pompe à haut rendement qui fait circuler le réfrigérant (également de l'hélium gazeux) refroidi par conduction avec le prérefroidisseur, vers MIRI. Le prérefroidisseur comprend une pompe à deux cylindres opposés horizontalement et refroidit l'hélium gazeux à l'aide de tubes à impulsions, qui échangent de la chaleur avec un régénérateur de manière acoustique. La pompe à haut rendement est un autre dispositif à pistons opposés horizontalement à deux cylindres qui fait circuler un lot différent d'hélium gazeux séparé de l'hélium du prérefroidisseur.

Le CCA est situé au cœur du bus de l'engin spatial, du côté "chaud" de l'observatoire, orienté vers le soleil, et il prérefroidit et pompe l'hélium froid à travers la plomberie vers MIRI, qui se trouve à environ 10 mètres dans le module d'instruments scientifiques intégrés (ISIM). Le CCA est contrôlé par le Cryocooler Control Electronics Assembly (CCEA), qui est un ensemble de boîtiers électroniques montés dans le bus de l'engin spatial à l'intérieur du panneau d'équipement côté bâbord. Le CCA est connecté à l'ISIM via le Cryocooler Tower Assembly (CTA), qui est une paire de tubes en acier inoxydable plaqué or (une ligne d'alimentation et une ligne de retour), chacun d'environ 2 millimètres de diamètre, maintenus à chaque pied environ par une série d'assemblages de suspension délicats (appelés supports de ligne de réfrigérant, ou RLS), montés à l'extérieur de la structure de l'observatoire. Le CTA se connecte à la dernière pièce du cryorefroidisseur appelée Cryocooler ColdHead Assembly (CHA), qui réside dans l'ISIM. Dans la plomberie CHA, à l'intérieur d'un cylindre plaqué or à peu près de la taille et de la forme d'une grande boîte de café, se trouve un petit orifice (moins de 1 millimètre) à travers lequel passe le réfrigérant à l'hélium refroidi, ce qui entraîne une expansion et un refroidissement final de l'hélium gazeux jusqu'à environ 6 kelvin, en tenant compte de l'effet Joule-Thomson (JT). Ce gaz d'hélium réfrigéré le plus froid passe à travers un tube de plus de 2 millimètres jusqu'à un bloc de cuivre de la taille d'une paume fixé à l'arrière des détecteurs MIRI. C'est là que la chaleur de la cible est échangée, ce qui entraîne le refroidissement des détecteurs de MIRI à environ 6,2 kelvins. Le CHA contient également des vannes qui permettent à l'hélium de contourner la restriction JT lorsque l'observatoire et le MIRI sont en mode de refroidissement (comme peu de temps après le lancement lors du déploiement et de la mise en service). Les tubes CCA, CTA et CHA sont reliés entre eux par des paires de raccords de 7/16 pouces qui, à l'extérieur, ressemblent à des raccords de conduite de frein hydraulique automobile.