V ledničce je chladno, v mrazáku ještě chladněji, ale ve srovnání s chladičem, který bude obhospodařovat jeden z přístrojů na připravovaném dalekohledu Jamese Webba jsou tato naše chladící zařízení téměř k smíchu. Neliší se od sebe ani tak rozměrově, jako určením – speciální chladič, který je prvním kosmickým exemplářem svého druhu, nebude pochopitelně chladit potraviny, ale místo toho pomůže zachytit slabounké světelné paprsky prvních hvězd, které se v našem vesmíru zrodily před miliardami let. Tento chladič, který vidíte na levé straně jako náhledovou fotku celého článku bude ochlazovat MIRI (Mid-Infrared Instrument), což je jeden ze čtyř přístrojů toužebně očekávaného teleskopu.
Jak jsme si již řekli, nový chladič se rozměrově neliší od domácí chladničky, ale na rozdíl od ní bude zajišťovat teplotu jen 6,7 K, tedy necelých sedm stupňů nad absolutní nulou – pro lepší představu v nám známých jednotkách je to -266,45°C. 24. května prošel chladící systém pro přístroj MIRI důkladnou kontrolou, která byla naplánována před jeho odesláním z kalifornské Pasadeny, kde sídlí JPL. Jako první se na cestu vydala jeho hlavní část sestávající z kryogenního kompresoru. Její cesta vede do kalifornského města Redondo Beach, kde se nachází hala společnosti Northrop Grumman Aerospace Systems. Tady bude chladič připojen k tělu rodícího se teleskopu.
Zdroj: http://www.nasa.gov/
Samotný přístroj MIRI bychom momentálně našli v Goddardově středisku v marylandském Greenbeltu. Tady jsou již vědecké přístroje připojeny k základní kostře dalekohledu a jeho systému zrcadel. Tato sestava se časem také přesune do výrobního závodu společnosti Northrop Grumman, kde se celý teleskop sestaví. „Kdy začaly hvězdy vypadat tak, jak je známe dnes?“ Ptá se Michael Ressler, vědec, který je součástí týmu okolo přístroje MIRI a dodává: „Tento přístroj nám umožní nahlédnout do téhle dávné éry.“ Jeho kolega a vedoucí celého programu přístroje MIRI, John Matter, doplňuje: „Bez pochyby očekáváme, že MIRI otevře úplně novou oblast astronomie – právě díky tomuto chladícímu systému.“ Instrument MIRI by měl zkoumat nejen světlo z prvních hvězd celé historie, ale také pomůže poodhalit tajemství, která obklopují galaxie, nebo exoplanety.
Zdroj: http://sci.esa.int/
Přístroj MIRI je společným projektem Evropy a Spojených států, za jejichž podíl zodpovídá JPL. Samotný chladící systém pro MIRI navrhli inženýři z Northrop Grumman a později jej poslali do JPL, kde proběhly potřebné zkoušky. Ty ověřily jeho výkon a prokázaly, že je připraven ke kosmickému letu. Potěšující je, že testy odhalily, že chladící systém pracuje dvakrát účinněji, než je potřeba. „Je to velmi dobrá zpráva – pokud bude MIRI, nebo jakýkoliv jiný systém v jeho okolí vydávat více tepla, než dnes čekáme, chladící systém to zvládne, protože má značné rezervy,“ popisuje s radostí Kalyani Sukhatme, projektový manažer z JPL.
Zdroj: http://www.ims.fraunhofer.de/
MIRI je ze všech čtyř přístrojů pro JWST nejchladnější. Tento aparát bude pracovat se zářením z infračerveného spektra a v tom je právě ten háček. Infračervené záření sice běžným okem nevidíme, ale vydávají jej i předměty o pokojové teplotě. Pokud má MIRI sledovat vesmír v infračerveném spektru, kde bude hledat jeho velmi slabé zdroje, musí být zajištěno, že v jeho okolí není nic o vyšší teplotě, co by rušilo pozorování. Je to podobné jako když astronomové, kteří sledují vesmír ve viditelném spektru utíkají pryč od měst, kde je ruší světelné znečištění, které přesvítí jejich pozorované objekty. „Přístroj musí být dost chladný na to, aby neviděl sám sebe,“ přidává dobré shrnutí Michael Ressler. Citlivé detektory, které převádí zachycené paprsky na elektrické signály mohou pracovat pouze při teplotách menších než 7 Kelvinů.
Zbývající tři vědecké přístroje v útrobách JWST budou pracovat s blízkým infračerveným spektrem, tedy se zářením, které má blíže k našemu viditelnému spektru. Pro jejich provoz je potřeba, aby byly v chladu, ale nepotřebují takový mráz jako MIRI. Tyto přístroje budou (stejně jako optika teleskopu) chlazeny pouze pasivně pomocí rozkládacího slunečního štítu o rozměrech tenisového kurtu. S jeho pomocí bude možné udržet teplotu těchto částí zhruba 40 stupňů nad absolutní nulou, tedy -233°C.
Zdroj: http://irsa.ipac.caltech.edu/
Metod, jak udržet infračervené detektory v chladu, je více. Například Spitzerův dalekohled, nebo malý teleskop WISE používaly chladiče na bázi termosky, které byly naplněny chladícím médiem (nejčastěji se v takových případech používá helium, nebo vodík kvůli jejich nízké teplotě varu). Ovšem tento systém se hodí spíše pro malé teleskopy – u těch větších je potřeba mít velké nádrže, což samozřejmě celou misi komplikuje kvůli větším rozměrům i hmotnosti. Ovšem největším negativem takového systému je jeho omezená životnost – jak chladivo plní svůj úkol a ochlazuje detektory, samo se ohřívá a po nějakém čase dojde k jeho spotřebování.
Ostatně i u MIRI se původně počítalo s tímto řešením, ovšem později byl návrh přepracován na aktivní chladící systém, který pracuje podobně jako běžná lednička. Chladič přístroje MIRI, někdy označovaný též jako kryochladič dokáže ochlazovat požadovaný instrument aniž by přitom spotřebovával chladící médium. „Můžete si dát svoje nápoje vychladit do bedny, která je plná ledu a nebo je můžete dát do ledničky,“ vysvětluje v nadsázce, kterou jsme si vypůjčili i pro název našeho článku, Konstantin Penanen, manažer kryochladiče z JPL a doplňuje: „Náš kryochladič je ekvivalentem ledničky. Led v bedně se časem rozpustí a tím pádem se ohřejí i nápoje v něm uložené. Ale lednice používá elektřinu aby udržela svůj interiér chladný.“
Zdroj: http://www2.jpl.nasa.gov/
Samotný princip aktivního chlazení není složitý. Stačí stlačit plyn a nechat jej expandovat, což plyn ochladí. Na stejném principu pracují ledničky i klimatizace – jsou to vlastně tepelná čerpadla. Chladící plyn je stlačený kompresorem a potom je mu umožněno, aby se roztáhl do většího prostoru – k tomu dochází právě v místě, odkud se má odebírat teplo, tedy v místě, které se má ochlazovat. Během rozpínání totiž chladící plyn absorbuje teplo, načež je tento ohřátý plyn odčerpán pryč – nejčastěji do radiátorů, kde své nabyté teplo vyzáří do okolí. Plyn neustále koluje v uzavřeném okruhu a opět míří ke kompresoru, který jej stlačí – všechno začíná nanovo.
Chladící systém přístroje MIRI jsme sice v tomto článku přirovnali k ledničce, ale je asi jasné, že celý systém je mnohem složitější. Aby byl citlivý přístroj co nejvíce odstíněn od tepla i vibrací, byla většina chladícího systému včetně kryogenního kompresoru přesunuta až za masivní sluneční štít. Celkem je k propojení MIRI s ostatními částmi chladícího systému potřeba 20 metrů potrubí o průměru 1,5 milimetru! Toto potrubí se bude vinout útrobami teleskopu a v jeho útrobách bude cirkulovat helium.
Zdroje informací:
http://www.nasa.gov/
http://www.northropgrumman.com/
http://sci.esa.int/
Zdroje obrázků:
http://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/pia20687.jpg
http://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/pia20688.jpg
http://sci.esa.int/science-e-media/img/a1/10EC3777_MIRI_alignment_testing_orig.jpg
http://www.ims.fraunhofer.de/fileadmin/media/Pressemitteilung_Infrarot_Sensoren.jpg
http://irsa.ipac.caltech.edu/…/images/Spitzer_Telescope_Handbook008.png
http://www2.jpl.nasa.gov/adv_tech/coolers/Cool_art/JWSTMIRI.GIF
Velice zajímavý článek o MIRI.
Těší mne, že se Vám líbil.
Díky za článek k dopolední kávě. 🙂 Jen popis toho praktického provedení obráceného Carnotova cyklu se mi nezdál úplně přesný. Myslím, že po kompresi musí médium projít radiátorem (kondenzátor), potom expanduje do výparníku a následně je přivedeno opět do kompresoru.
Díky za pochvalu. Jasně, nepopsali jsme úplně všechny kroky, jen pár základních. Nechtěli jsme jít úplně do podrobna.
On se vám snažil taktně naznačit, že to máte popsané blbě. 🙂 Chladič musí byt za kompresorem, aby to fungovalo…
Já myslím, že to vzniklo tím, že jsem na začátku nazval kompresor pumpou aby se mi neopakovala stejná slova. Opraveno.
Ta „finta“ je v tom, co Vám tu popisuje i Honza, chladič (radiátor, kondenzátor) musí být za kompresorem, jinak by to fakt nefungovalo a uvnitř ledničky by teoreticky byla stejná teplota jako za slunečním štítem. Kompresí se plyn zahřeje a v chladiči vyzáří teplo do okolí.
Takto ochlazený se nechá expandovat do výparníku (při expanzi klesne teplota plynu) a absorbuje teplo z okolí. Poté je ohřátý plyn odčerpán kompresorem a ještě více ohřátý stlačením putuje do chladiče. A tak pořád dokola.
Nádhera.
A je pěkné, jak je celý aparát malý.
V době stavby HT by to takhle malé a pěkné určitě nebylo…
PS:
jak se řeší u takovéhleho teleskopu stabilizace ?
Pokud si pamatuji, tak právě u HT se gyroskopy musely několikrát vyměnit-a to tady asi nepůjde 🙂
q.
JWST bude používat jiný typ gyroskopu – nepůjde o hmotu, která se otáčí na ložisku, ale místo toho použije křemíkové polokoule schopné rezonance ve vakuu (systém HGR) Detaily najdete zde: http://jwst.nasa.gov/faq_scientists.html#gyros a také zde: https://en.wikipedia.org/wiki/Hemispherical_resonator_gyroscope
Díky za upřesnění.
Ani jsem netušil, že takové gyroskopy existují.
Přeji mnoho zdaru.
Vaše stránky jous, jako vždy, super.
q.
O těchto gyroskopech se ví poměrně málo, ačkoliv už letěly na mnoha strojích. Časem o nich možná něco sepíšeme, ale nemohu to slíbit. 🙂
Děkujeme, jsme rádi, že se Vám náš portál líbí a doufám, že tomu tak bude i nadále.
Pozor, pletou se tady dvě věci. Hemispherical Resonator Gyroscope (HRG) je zařízení MĚŘÍCÍ – pomocí něj bude měřena orientace JWST v prostoru. Toto zařízení ale neumožňuje aktivní natáčení družice. To bude u JWST zařízeno „postaru“ pomocí setrvačníků (reaction wheels). Mimo jinde je to také v tom odkazovaném linku: http://jwst.nasa.gov/faq_scientists.html#wheels
Díky za upřesnění.
Takže jestli tomu dobře rozumím – HRG u JWST je obdoba RSU (Rate Sensor Units) u HST. Měří orientaci a podle nich se dávají do pohybu silové gyroskopy (v případě HST to byly RWA – Reaction Wheel Assembly).
Tohle řešení mi nepřipadalo pro daný účel vůbec možné uskutečnit. Klobouk dolů před řešiteli!!!
Takové články prostě žeru a diskuze třešnička na dortu, chválím ,chválím,ch…………….
Tak nejak mi vrta hlavou proc se jako nejvetsi zdroj tepla uvadi slunce, kdyz libracni bod L2 by mel byt neustale ve stinu Zeme. Ale predpokladam, ze ten bod je od Zeme jiz tak daleko, ze to zastineni jiz neni dostatecne.
Padron tento komentar mel patrit k novemu clanku o JSWT, spletl jsem si okna prohlizece.