Kryokühler Webb/NASA

Das Kühlgerät für das Mid-Infrared Instrument (MIRI), eines der vier Instrumente des James Webb-Weltraumteleskops. Das MIRI benötigt eine niedrigere Betriebstemperatur als die anderen Instrumente von Webb, der Kryokühler erfüllt diese Anforderung. Bild: NASA/JPL-Caltech

Da es sich um ein außerordentlich empfindliches astronomisches Infrarot-Observatorium handelt, müssen die Optik und wissenschaftlichen Instrumente des James-Webb-Weltraumteleskops kalt sein, um Infrarot-Hintergrundrauschen zu unterdrücken. Darüber hinaus müssen die Detektoren in jedem wissenschaftlichen Instrument, die Infrarotlichtsignale zur Verarbeitung in Bilder in elektrische Signale umwandeln, kalt sein, um richtig zu funktionieren. Typischerweise gilt: Je länger die Wellenlänge des Infrarotlichts ist, desto kälter muss der Detektor sein, um diese Umwandlung durchführen zu können, während gleichzeitig die Erzeugung zufälliger „Rauschen“-Elektronen begrenzt wird.

Drei der vier wissenschaftlichen Instrumente von Webb „sehen“ sowohl das rötlichste sichtbare Licht als auch Licht im nahen Infrarot (Licht mit Wellenlängen von 0,6 Mikrometer bis 5 Mikrometer). Diese Instrumente verfügen über Detektoren, die mit Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe) formuliert sind und bei 37 Kelvin ideal für Webb funktionieren. Wir können sie im Weltraum „passiv“ so kalt machen, einfach dank Webbs Design, das einen Sonnenschutz in der Größe eines Tennisplatzes beinhaltet.

Webbs viertes wissenschaftliches Instrument, das Mid-Infrared Instrument (MIRI), „sieht“ jedoch Licht im mittleren Infrarot (MIR) bei Wellenlängen von 5 bis 28 Mikrometern. Die Detektoren von MIRI sind notwendigerweise eine andere Formulierung (mit Arsen dotiertes Silizium (Si:As)), die eine Temperatur von weniger als 7 Kelvin haben müssen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Diese Temperatur ist auf Webb allein durch passive Mittel nicht möglich, daher verfügt Webb über einen „Kryokühler“, der speziell für die Kühlung der MIRI-Detektoren bestimmt ist.

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Dieses Bild zeigt die Kühlvorrichtung für das Mid-Infrared Instrument (MIRI), eines der vier Instrumente des James Webb-Weltraumteleskops. Dieses Foto wurde aufgenommen, nachdem der Kryokühler die Tests abgeschlossen hatte, und aus der Testkammer genommen, um ihn in seinen Versandbehälter zu verpacken. Bild: NASA/JPL-Caltech

Das MIRI-Instrument. MIRIs arbeiten bei Temperaturen von nicht mehr als 6,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt oder minus 448 Grad Fahrenheit. Bildnachweis: NASA/Chris Gunn

Die Kryokühler-Elektronik im Test. Bild: NASA/JPL-Caltech

Der Kryokühler von Webb hat den Stand der Technik bei Raumfahrt-Kryokühlern dieser Leistungs- und Temperaturklasse in zweierlei Hinsicht weiterentwickelt:

Darüber hinaus ist die Vibrationsarmut eine der anspruchsvollsten Anforderungen an den Kryokühler. Die Vibrationspegel müssen sehr niedrig sein, um Jitter (verursachtes Wackeln) der Optik und daraus resultierende unscharfe Bilder zu verhindern. Die Pulsrohrkühlung im Vorkühler im CCA und die Joule-Thomson-Effekt-Kühlung im CHA haben keine beweglichen Teile. Die einzigen beweglichen Teile im Kryokühler sind die beiden 2-Zylinder-Pumpen mit horizontal gegenüberliegenden Kolben im CCA. Durch die horizontal gegenüberliegenden Kolben, die fein ausbalanciert und abgestimmt sind und sich praktisch perfekt gegenläufig bewegen, werden Vibrationen größtenteils aufgehoben und somit minimiert .

Weitere Informationen finden Sie im Sonderartikel über MIRI und den Kryokühler auf NASA.gov.

Die Cryocooler-Kompressorbaugruppe. Dieses Foto zeigt den Flug-Kryokühler, der zu Testzwecken „verkehrt herum“ in einer Vakuumkammer installiert war, bevor die Kammer geschlossen wurde. Bild: NASA/JPL-Caltech

Der Kryokühler Webb MIRI ist im Grunde ein hochentwickelter Kühlschrank, dessen Teile über das Observatorium verteilt sind. Das Hauptteil ist die Kryokühler-Kompressorbaugruppe (CCA). Es handelt sich um eine Wärmepumpe, die aus einem Vorkühler besteht, der etwa 1/4 Watt Kühlleistung bei etwa 14 Kelvin erzeugt (unter Verwendung von Heliumgas als Arbeitsmedium), und einer Hocheffizienzpumpe, die durch Wärmeleitung gekühltes Kältemittel (auch Heliumgas) mit dem Vorkühler umwälzt. zu MIRI. Der Vorkühler verfügt über eine horizontal gegenüberliegende Zweizylinderpumpe und kühlt Heliumgas mithilfe von Pulsrohren, die akustisch Wärme mit einem Regenerator austauschen. Bei der Hocheffizienzpumpe handelt es sich um eine weitere Zweizylinder-Vorrichtung mit horizontal gegenüberliegenden Kolben, die eine andere Charge Heliumgas getrennt vom Helium des Vorkühlers umwälzt.

Der CCA befindet sich im Herzen des Raumfahrzeugbusses, auf der der Sonne zugewandten „warmen“ Seite des Observatoriums, und er kühlt kaltes Heliumgas vor und pumpt es durch Leitungen zum MIRI, das etwa 10 Meter entfernt im integrierten Wissenschaftsinstrumentenmodul liegt (ISIM). Der CCA wird von der Cryocooler Control Electronics Assembly (CCEA) gesteuert, einer Ansammlung von Elektronikkästen, die im Bus des Raumfahrzeugs in der backbordseitigen Gerätetafel montiert sind. Der CCA ist mit dem ISIM über die Cryocooler Tower Assembly (CTA) verbunden, bei der es sich um ein Paar vergoldeter Edelstahlrohre (eine Zuleitung und eine Rückleitung) mit einem Durchmesser von jeweils etwa 2 Millimetern handelt, die etwa einen Fuß lang gehalten werden eine Reihe empfindlicher Aufhängungsbaugruppen (sogenannte Refrigerant Line Supports oder RLSs), die an der Außenseite der Observatoriumsstruktur montiert sind. Der CTA ist mit dem letzten Teil des Kryokühlers verbunden, der sogenannten Cryocooler ColdHead Assembly (CHA), die sich im ISIM befindet. In der CHA-Leitung befindet sich in einem vergoldeten Zylinder, der ungefähr die Größe und Form einer großen Kaffeedose hat, eine kleine Öffnung (weniger als 1 Millimeter), durch die das gekühlte Helium-Kältemittel strömt, was zu einer Expansion und endgültigen Abkühlung des Heliumgases führt bis zu etwa 6 Kelvin, unter Berücksichtigung des Joule-Thomson (JT)-Effekts. Dieses kälteste gekühlte Heliumgas gelangt durch weitere 2-Millimeter-Rohre zu einem handtellergroßen Kupferblock, der an der Rückseite der MIRI-Detektoren befestigt ist. Hier wird die Zielwärme ausgetauscht, was zu einer Abkühlung der MIRI-Detektoren auf nominell etwa 6,2 Kelvin führt. Der CHA enthält außerdem Ventile, die es Helium ermöglichen, die JT-Beschränkung zu umgehen, wenn sich das Observatorium und MIRI im Abkühlmodus befinden (z. B. kurz nach dem Start während der Bereitstellung und Inbetriebnahme). Die CCA-, CTA- und CHA-Schläuche sind mit Paaren von 7/16-Zoll-Anschlüssen verbunden, die von außen den hydraulischen Bremsleitungsanschlüssen von Kraftfahrzeugen ähneln.