Cryocooler Webb/NASA

O dispositivo de resfriamento do Instrumento de Infravermelho Médio, ou MIRI, um dos quatro instrumentos do Telescópio Espacial James Webb. O MIRI requer uma temperatura operacional mais baixa do que outros instrumentos do Webb, o criocooler atende a esse requisito. Imagem: NASA/JPL-Caltech

Sendo um observatório astronômico infravermelho extremamente sensível, a óptica e os instrumentos científicos do Telescópio Espacial James Webb precisam ser frios para suprimir o "ruído" de fundo infravermelho. 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 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 mícron a 5 mícron). Esses instrumentos possuem detectores formulados com Telureto de Mercúrio-Cádmio (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 Instrumento de infravermelho médio, ou MIRI, "vê" luz infravermelha média (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 precisa estar a uma temperatura inferior a 7 Kelvin para funcionar corretamente. Essa temperatura não é possível no Webb apenas por meios passivos, então Webb carrega um “criocooler” dedicado ao resfriamento dos detectores do MIRI.

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Esta imagem mostra o dispositivo de resfriamento do Instrumento de Infravermelho Médio, ou MIRI, um dos quatro instrumentos do Telescópio Espacial James Webb. Esta foto foi tirada após o crioresfriador ter concluído os testes e foi retirada da câmara de teste em preparação para ser colocada 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 os testes. Imagem: NASA/JPL-Caltech

O criocooler de Webb avançou o que há de mais moderno em criocoolers para 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 evitar instabilidade (tremor induzido) da óptica e imagens desfocadas resultantes. O resfriamento do tubo de pulso no pré-resfriador no CCA e o resfriamento por efeito Joule-Thomson no CHA não possuem partes móveis. As únicas peças móveis no crioresfriador são as duas bombas de pistão horizontalmente opostas de 2 cilindros no CCA e, por terem pistões horizontalmente opostos que são finamente equilibrados e ajustados e se movem em oposição virtualmente perfeita, a vibração é praticamente cancelada e, portanto, minimizada .

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

O conjunto do compressor Cryocooler. Esta foto mostra o criocooler de voo instalado “de cabeça para baixo” em uma câmara de vácuo para teste, antes de a câmara ser fechada. Imagem: NASA/JPL-Caltech

O criocooler Webb MIRI é basicamente uma geladeira sofisticada com suas peças distribuídas por todo o observatório. A peça principal é o conjunto do compressor Cryocooler (CCA). É uma bomba de calor que consiste em 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, para MIRI. O pré-resfriador possui uma bomba de dois cilindros horizontalmente opostas e resfria o gás hélio usando tubos de pulso, que trocam calor acusticamente com um regenerador. 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.