Cryocooler Webb/NASA

O dispositivo de resfriamento do Mid-Infrared Instrument, ou MIRI, um dos quatro instrumentos do Telescópio Espacial James Webb. O MIRI requer uma temperatura operacional mais baixa do que os outros instrumentos do Webb, o crioresfriador acomoda esse requisito. Imagem: NASA/JPL-Caltech

Sendo um observatório astronômico infravermelho extremamente sensível, a ótica e os instrumentos científicos do Telescópio Espacial James Webb precisam estar frios para suprimir o "ruído" infravermelho de fundo. Além disso, os detectores dentro de cada instrumento científico, que convertem sinais de luz infravermelha em sinais elétricos para processamento em imagens, precisam estar frios para funcionar corretamente. Normalmente, quanto maior o comprimento de onda da luz infravermelha, mais frio o detector precisa estar para fazer essa conversão, ao mesmo tempo em que limita a geração de elétrons de "ruído" aleatórios.

Três dos quatro instrumentos científicos de Webb "vêem" tanto a luz visível mais vermelha quanto a luz infravermelha próxima (luz com comprimentos de onda de 0,6 mícrons a 5 mícrons). Esses instrumentos possuem detectores formulados com Mercúrio-Cádmio-Telureto (HgCdTe), que funcionam idealmente para Webb a 37 kelvin. Podemos deixá-los tão frios no espaço "passivamente", simplesmente em virtude do design de Webb, que inclui um protetor solar do tamanho de uma quadra de tênis.

No entanto, o quarto instrumento científico de Webb, o Mid-infrared Instrument, ou MIRI, "vê" a luz do infravermelho médio (MIR) em comprimentos de onda de 5 a 28 mícrons. Por necessidade, os detectores do MIRI são de formulação diferente (silício dopado com arsênico (Si:As)), que precisam estar a uma temperatura inferior a 7 kelvin para operar adequadamente. Essa temperatura não é possível no Webb apenas por meios passivos, então o Webb carrega um "crioresfriador" dedicado a resfriar os detectores do MIRI.

−

Esta imagem mostra o dispositivo de resfriamento do Mid-Infrared Instrument, ou MIRI, um dos quatro instrumentos do Telescópio Espacial James Webb. Esta foto foi tirada após o crioresfriador ter concluído o teste e foi retirado da câmara de teste em preparação para ser colocado em seu contêiner de transporte. Imagem: NASA/JPL-Caltech

O instrumento MIRI. O MIRI opera em temperaturas não superiores a 6,7 ​​graus acima do zero absoluto, ou 448 graus Fahrenheit negativos. Crédito: NASA/Chris Gunn

O Cryocooler Electronics durante o teste. Imagem: NASA/JPL-Caltech

O cryocooler da Webb avançou o estado da arte em cryocoolers de voos espaciais desta classe de potência e temperatura de duas maneiras:

Além disso, um dos requisitos mais desafiadores do crioresfriador é a baixa vibração. Os níveis de vibração precisam ser muito baixos para impedir o jitter (tremor induzido) da ótica e as imagens borradas resultantes. O resfriamento do tubo de pulso no pré-resfriador no CCA e o resfriamento do efeito Joule-Thomson no CHA não possuem partes móveis. As únicas partes móveis no resfriador criogênico são as duas bombas de pistão opostas horizontalmente de 2 cilindros no CCA e, por ter pistões opostos horizontalmente que são finamente balanceados e ajustados e se movem em oposição virtualmente perfeita, a vibração é quase totalmente anulada e, portanto, minimizada .

Para obter informações adicionais, consulte o artigo sobre MIRI e o cryocooler em NASA.gov.

O Conjunto do Compressor do Cryocooler. Esta foto mostra o crioresfriador de vôo instalado "de cabeça para baixo" em uma câmara de vácuo para teste, antes de a câmara ser fechada. Imagem: NASA/JPL-Caltech

O crioresfriador Webb MIRI é basicamente um sofisticado refrigerador com suas peças distribuídas pelo observatório. A peça principal é o Cryocooler Compressor Assembly (CCA). É uma bomba de calor composta por um pré-resfriador que gera cerca de 1/4 Watt de potência de resfriamento a cerca de 14 kelvin (usando gás hélio como fluido de trabalho) e uma bomba de alta eficiência que circula refrigerante (também gás hélio) resfriado por condução com o pré-resfriador, ao MIRI. O pré-resfriador possui uma bomba de dois cilindros opostos horizontalmente e resfria o gás hélio usando tubos de pulso, que trocam calor com um regenerador acusticamente. A bomba de alta eficiência é outro dispositivo de pistão de dois cilindros opostos horizontalmente que circula um lote diferente de gás hélio separado do hélio do pré-resfriador.