Ingenjörer genomför en "acceptans" av James Webb rymdteleskopets mellaninfraröda instrument vid NASA:s Goddard Space Flight Center efter avresan från Storbritannien.
JPL:s flygtekniker Johnny Melendez (höger) och Joe Mora inspekterar MIRI-kryokylaren innan den skickas till Northrop Grumman i Redondo Beach, Kalifornien. Där är kylaren fäst på kroppen av Webb-teleskopet.
Den här delen av MIRI-instrumentet, som ses vid Appleton Laboratory i Rutherford, Storbritannien, innehåller infraröda detektorer. Kryokylaren är placerad på avstånd från detektorn eftersom den arbetar vid en högre temperatur. Ett rör med kallt helium förbinder de två sektionerna.
MIRI (vänster) sitter på en balansbalk vid Northrop Grumman i Redondo Beach när ingenjörer förbereder sig för att använda en travers för att fästa den på den integrerade vetenskapliga instrumentmodulen (ISIM). ISIM är Webbs kärna, de fyra vetenskapliga instrument som inrymmer teleskopet.
Innan MIRI-instrumentet - ett av de fyra vetenskapliga instrumenten på observatoriet - kan fungera måste det kylas till nästan den kallaste temperatur som materia kan nå.
NASA:s rymdteleskop James Webb, planerat att lanseras den 24 december, är det största rymdobservatoriet i historien, och det har en lika skrämmande uppgift: att samla in infrarött ljus från universums avlägsna hörn, vilket gör det möjligt för forskare att undersöka universums struktur och ursprung. Vårt universum och vår plats i det.
Många kosmiska objekt – inklusive stjärnor och planeter, och gasen och stoftet från vilka de bildas – sänder ut infrarött ljus, ibland kallat termisk strålning. Men det är de flesta andra varma objekt, som brödrostar, människor och elektronik också. Det betyder att Webbs fyra infraröda instrument kan upptäcka sitt eget infraröda ljus. För att minska dessa utsläpp måste instrumentet vara 80 grader kallt eller 80 grader varmt. (minus 233 grader Celsius). Men för att fungera korrekt måste detektorerna inuti det mellaninfraröda instrumentet, eller MIRI, bli kallare: under 7 Kelvin (minus 448 grader Fahrenheit, eller minus 266 grader Celsius).
Det är bara några grader över den absoluta nollpunkten (0 Kelvin) – den kallaste temperaturen som är teoretiskt möjlig, även om den aldrig är fysiskt tillgänglig eftersom den representerar fullständig frånvaro av värme. (Men MIRI är inte det kallaste bildinstrumentet som fungerar i rymden.)
Temperaturen är i huvudsak ett mått på hur snabbt atomer rör sig, och förutom att detektera sitt eget infraröda ljus kan Webb-detektorer triggas av sina egna termiska vibrationer. MIRI detekterar ljus i ett lägre energiområde än de andra tre instrumenten. Som ett resultat är dess detektorer känsligare för termiska vibrationer. upptäcka.
Efter lanseringen kommer Webb att sätta in ett visir i tennisplansstorlek som skyddar MIRI och andra instrument från solens värme, vilket gör att de kan svalna passivt. Från och med cirka 77 dagar efter lanseringen kommer MIRIs kryokylare att ta 19 dagar för att sänka temperaturen på instrumentets detektorer till under 7 Kelvin.
"Det är relativt lätt att kyla ner saker till den temperaturen på jorden, ofta för vetenskapliga eller industriella tillämpningar", säger Konstantin Penanen, en kryokylare expert vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien., som hanterar MIRI-instrumentet för NASA.” Men de jordbaserade systemen är mycket skrymmande och energiineffektiva.För ett rymdobservatorium behöver vi en kylare som är fysiskt kompakt, energieffektiv, och den måste vara mycket pålitlig eftersom vi inte kan gå ut och fixa den.Så det är dessa utmaningar vi står inför., i det avseendet skulle jag säga att MIRI kryokylare definitivt ligger i framkant.”
Ett av Webbs vetenskapliga mål är att studera egenskaperna hos de första stjärnorna som bildades i universum. Webbs nära-infraröda kamera eller NIRCam-instrument kommer att kunna upptäcka dessa extremt avlägsna objekt, och MIRI kommer att hjälpa forskare att bekräfta att dessa svaga ljuskällor är kluster av första generationens stjärnor, snarare än andra generationens galaxy-stjärnor som har skapats av en senare generation.
Genom att titta på dammmoln som är tjockare än nära-infraröda instrument, kommer MIRI att avslöja födelseplatserna för stjärnor. Det kommer också att upptäcka molekyler som vanligtvis finns på jorden - såsom vatten, koldioxid och metan, såväl som molekyler av steniga mineraler som silikater - i de svala miljöerna runt närliggande stjärnor, där planeter kan bildas bättre vid de varma instrumenten i och med att de upptäcker molekyler infra. , medan MIRI kan se dem som is.
"Genom att kombinera amerikansk och europeisk expertis har vi utvecklat MIRI som kraften hos Webb, vilket kommer att göra det möjligt för astronomer från hela världen att svara på stora frågor om hur stjärnor, planeter och galaxer bildas och utvecklas", säger Gillian Wright, medledare för MIRI-vetenskapsteamet och europeisk huvudutredare för instrumentet vid UK Astronomical Technology Center (UK ATC).
MIRI kryokylare använder heliumgas – tillräckligt för att fylla cirka nio partyballonger – för att transportera bort värme från instrumentets detektorer. Två elektriska kompressorer pumpar helium genom ett rör som sträcker sig till där detektorn är placerad. Röret går genom ett metallblock som också är fäst vid detektorn;det kylda heliumet absorberar överskottsvärme från blocket och håller detektorns driftstemperatur under 7 Kelvin. Den uppvärmda (men fortfarande kalla) gasen går sedan tillbaka till kompressorn, där den driver ut överskottsvärmen, och cykeln börjar igen. I grunden liknar systemet det som används i hushållskylskåp och luftkonditioneringsapparater.
Rören som bär helium är gjorda av guldpläterat rostfritt stål och är mindre än en tiondels tum (2,5 mm) i diameter. Det sträcker sig cirka 30 fot (10 meter) från kompressorn som finns i rymdfarkostens bussområde till MIRI-detektorn i det optiska teleskopelementet som finns bakom observatoriets bikakeformade spegel, hårdvara som kallas en DTA-monteringsbar primärspegel. uppskjutning komprimeras DTA, lite som en kolv, för att hjälpa till att installera det stuvade observatoriet i skyddet ovanpå raketen. Väl i rymden kommer tornet att förlängas för att separera rumstemperaturfarkostbussen från de svalare optiska teleskopinstrumenten och tillåta solskyddet och teleskopet att utplaceras fullt ut.
Den här animationen visar det perfekta utförandet av James Webb-rymdteleskopets utplacering timmar och dagar efter lanseringen. Utbyggnaden av den centrala utplacerbara tornet kommer att öka avståndet mellan de två delarna av MIRI. De är förbundna med spiralformade rör med kylt helium.
Men förlängningsprocessen kräver att heliumröret förlängs med den expanderbara tornenheten. Så röret rullar sig som en fjäder, vilket är anledningen till att MIRIs ingenjörer gav smeknamnet den här delen av röret "Slinky".
"Det finns vissa utmaningar med att arbeta på ett system som sträcker sig över flera regioner i observatoriet", säger Analyn Schneider, JPL MIRI-programchef."Dessa olika regioner leds av olika organisationer eller centra, inklusive Northrop Grumman och amerikanska NASA:s Goddard Space Flight Center, vi måste prata med alla.Det finns ingen annan hårdvara på teleskopet som behöver göra det, så det är en utmaning som är unik för MIRI.Det har definitivt varit en lång rad för MIRI cryocoolers road, och vi är redo att se det i rymden.”
Rymdteleskopet James Webb kommer att lanseras 2021 som världens främsta rymdforskningsobservatorium. Webb kommer att reda ut vårt solsystems mysterier, titta på avlägsna världar runt andra stjärnor och utforska de mystiska strukturerna och ursprunget till vårt universum och vår plats. Webb är ett internationellt initiativ som leds av NASA och dess partners ESA (European Space Agency) och Canadian Space Agency.
MIRI utvecklades genom ett 50-50 partnerskap mellan NASA och ESA (European Space Agency).JPL leder den amerikanska insatsen för MIRI, och ett multinationellt konsortium av europeiska astronomiska institut bidrar till ESA.George Rieke från University of Arizona är MIRI:s amerikanska vetenskapsgruppledare.Gillian Wright är chef för MIRI:s europeiska team.
Alistair Glasse från ATC, UK är MIRI Instrument Scientist och Michael Ressler är US Project Scientist vid JPL. Laszlo Tamas från UK ATC är ansvarig för Europeiska unionen. Utvecklingen av MIRI kryokylare leddes och hanterades av JPL i samarbete med NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och Northrop Grumman, Kalifornien.