Refroidisseur Webb/NASA

Le dispositif de refroidissement de l'instrument infrarouge moyen, ou MIRI, l'un des quatre instruments du télescope spatial James Webb. Le MIRI nécessite une température de fonctionnement plus basse que les autres instruments de Webb, le cryocooler répond à cette exigence. Image : NASA/JPL-Caltech

Étant un observatoire astronomique infrarouge extrêmement sensible, les optiques 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. Généralement, 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 ainsi que la lumière proche infrarouge (lumière avec des longueurs d'onde de 0,6 microns à 5 microns). Ces instruments sont équipés de détecteurs formulés avec du mercure-cadmium-telluride (HgCdTe), qui fonctionnent idéalement pour Webb à 37 kelvins. Nous pouvons les faire refroidir 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, l'instrument à infrarouge moyen, ou MIRI, « voit » la lumière infrarouge moyen (MIR) à des longueurs d'onde de 5 à 28 microns. Par nécessité, les détecteurs MIRI sont d'une formulation différente (silicium dopé à l'arsenic (Si:As)), qui doivent être à une température inférieure à 7 kelvins pour fonctionner correctement. Cette température n'est pas possible sur Webb par des moyens passifs uniquement, c'est pourquoi Webb transporte un "cryocooler" dédié au refroidissement des détecteurs de MIRI.

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

L'instrument MIRI. Le 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 du cryocooler pendant les tests. Image : NASA/JPL-Caltech

Le refroidisseur cryogénique de Webb a fait progresser l'état de l'art en matière de refroidisseurs cryogéniques pour vols spatiaux de cette classe de puissance et de température de deux manières :

De plus, l’une des exigences les plus difficiles du refroidisseur cryogénique est la faible vibration. Les niveaux de vibration doivent être très faibles pour éviter toute gigue (tremblement induit) de l'optique et les images floues qui en résultent. Le refroidissement du tube d'impulsion 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 refroidisseur cryogénique sont les deux pompes à pistons opposés horizontalement à 2 cylindres du CCA, et grâce aux pistons opposés horizontalement qui sont finement équilibrés et réglés et se déplacent en 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'ensemble compresseur du refroidisseur cryogénique. Cette photo montre le cryo-refroidisseur de vol installé « à l'envers » dans une chambre à vide pour des tests, avant la fermeture de la chambre. Image : NASA/JPL-Caltech

Le refroidisseur Webb MIRI est essentiellement un réfrigérateur sophistiqué dont les pièces sont réparties dans tout l'observatoire. La pièce principale est l’ensemble 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 kelvins (en utilisant de l'hélium gazeux 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, à MIRI. Le prérefroidisseur est doté d'une pompe à deux cylindres opposés horizontalement et refroidit l'hélium gazeux à l'aide de tubes à impulsions, qui échangent acoustiquement la chaleur avec un régénérateur. La pompe à haut rendement est un autre dispositif à deux cylindres à pistons opposés horizontalement qui fait circuler un lot différent d'hélium gazeux séparé de l'hélium du prérefroidisseur.