سردکننده های فضایی

نویسنده: علی کاشانی و Peter Kittle

مترجم: مهندس محمدرضا رزاقی اصفهانی

بسیاری از تجهیزات ردیابی که در تلسکوپ‌های فضایی به کار می‌روند، برای افزایش حساسیت و کاهش نویزهای دمایی نیاز به سرد شدن دارند. چنین فرآیند سرمایشی که برای کاربردهای فضایی در نظرگرفته می‌شود، نیاز به سرد کننده های اتکاپذیر، موثر و دارای عمر طولانی دارند که به نسبت کم حجم و سبک بوده و لرزش بسیار خفیفی داشته باشند. در این راستا سیستم‌های سرمایشی طراحی شده و یا در شرف طراحی هستند که این نیازها را در محدوده‌ی وسیعی از دما پوشش می‌دهند. این سیستم ها شامل تجهیزات سرمایشی نوع حباب پالس pulse tube از ۳۰۰ درجه ی کلوین تا کمتر از ۶ درجه ی کلوین، یک سرد کننده ی مغناطیسی از ۱۰ درجه ی کلوین تا ۲ درجه ی کلوین، یک سرد کننده ی جذب سطحی ³He با خنک کنندگی از ۲ درجه تا 0.3 درجه ی کلوین و همچنین یک سرد کننده ی رقیق کننده ی هلیوم با سرمایش از دمای0.3 درجه ی کلوین تا ۰٫۰۵ درجه ی کلوین می گردند. جزییات این سیستم‌ها و مزایای آن‌ها در این مقاله ارائه گردیده است.

سرد کننده های حباب پالس PULSE TUBE 

شکل (۱) اجزای اصلی یک سرد کننده ی حیاب پالس ساده و یک مرحله ای را نشان می‌دهد. این سیستم یک سیستم بسته است که از یک فشار نوسانی در یک انتها ( که معمولا توسط یک کمپرسور  ایجاد می شود) جهت ایجاد یک جریان گاز نوسانی در بقیه ی قسمت‌های سیستم بهره می گیرد. این جریان گاز (که معمولا هلیوم است )، اگر شرایط مناسبی در سیستم حاکم شود، می تواند گرما را از نقطه ای با دمای پایین مبدل حرارتی سرد بزداید. یک حباب inertance که جریان را در سمت دیگر سرد کننده کنترل می کند، می‌تواند شرایط مناسب را جهت پدید آمدن این سرمایش فراهم آورد. یک سرد کننده ی تک مرحله ای می‌تواند سرمایشی از دمای اتاق تا زیر ۳۵ درجه ی کلوین ایجاد کرده و  سیستم های چند مرحله ای قادرند از این دما بسیار پایین تر روند. مقدار گرمایی که این سیستم ها می توانند بگیرند تنها محدود به اندازه و توان مورد استفاده برای راه اندازی آن‌ها می گردد. بازدهی این سیستم ها با سیستم های دیگر از قبیل سرد کننده های Stirling قابل مقایسه است. مزیت اصلی سرد کننده های حباب پالس نسبت به سرد کننده های Stirling این است که این سیستم ها هیچ قطعه ی متحرکی در ناحیه ی دمای پایین ندارند. این امر بدین معنی است که هیچ گونه اصطکاک فرسایش و یا لرزشی در سیستم وجود نداشته و به همین دلیل بخش‌هایی که در دمای پایین کار  می کنند، طول عمری تقریبا نامحدود دارند. وضعیت پیشرفت این نوع سرد کننده ها از این قرار است که سرد کننده های تک مرحله ای به شکل موفقیت آمیزی به فضا فرستاده شده و در مقیاس تجاری در دسترس هستند. سرد کننده های چند مرحله ای برای دماهای کمتر از ۲۰ درجه ی کلوین در دست بررسی هستند. در حال حاضر احیا کننده هایی با اثر بخشی بالا برای سرد کننده های چند مرحله ای که در دمایی پایین تر از ۴ درجه ی کلوین کار می‌کنند در حال طراحی هستند. انتظار می رود نسل جدید مواد بازدهی سرد کننده های ۷ درجه ی کلوین را با شاخصی برابر با ۳٫۸ نسبت به موادی که در حال حاضر در مقیاس تجاری قابل دسترس هستند، ارتقا بخشند.

سرد کننده های مغناطیسی 

شکل (۲) مشخصات مربوط به یک سرد کننده ی زدایش مغناطیس آدیاباتیک (ADR) را که برای سرمایش از دمای ۱۰ تا ۲ درجه ی کلوین طراحی شده است نشان می‌دهد. این سرد کننده شامل یک قطعه ساندویچی از مس – اندوده ی گادولینیوم گالیوم Cu/GGG  و دو ساندویچ گرمایی  است. پنج لایه از GGG تک کریستال همراه با  نوارهایی از فلز مس با خلوص بالا به صورت ساندویچ درآمده اند. یک فویل از جنس ایندیوم  در حد فاصل بین GGG و Cu برای افزایش هدایت دمایی مورد استفاده قرار گرفته است. این قطعه ی ساندویچ مانند، توسط رشته های Kevlar که توسط یک مکانیسم SS مورد تنش قرار می‌گیرند، تحت فشار قرار می‌گیرد. ADR از نظر دمایی به  صفحه ی سرد یک Cryostat ( دستگاه تنظیم دما  در دماهای بسیار پایین ) هلیم که در دمای  ۱۰ درجه ی کلوین برای آزمایش حفظ می‌شود، ارتباط داده شده است. نوارهای مس انتقال حرارت  بین GGG و کلیدهای حرارتی را ممکن می سازند. دو تا از این نوارها به کلید حرارتی ۲ درجه ی کلوین و دوتای دیگر به کلید حرارتی ۱۰ درجه ی کلوین وصل شده اند. در هر دو کلید حرارتی این نوارهای مسی به یک انتهای کلید حرارتی با فویل ایندیوم  با خلوص بالا که در ناحیه ی حد فاصل تعبیه شده است بسته شده اند. مغناطیس استفاده شده  در این آزمایش یک مغناطیس فوق رساناست که در دمای ۴ درجه ی کلوین میدانی به قدرت ۷ تسلا ایجاد می‌نماید. ناهمگونی این میدان در کل طول ساندویچ Cu/GGG کمتر از ۵ درصد است.

این سرد کننده مزایایی مانند بازدهی بالا، عدم وجود قطعات متحرک، عدم لرزش و عمر نامحدود  دارد. این سیستم با موفقیت در آزمایشگاه نصب و آزمایش شده است. مشخص شده است که با استفاده از GGG به حجم ۴۶ سانتی‌متر مکعب، توان سرمایشی معادل ۰٫۰۳۰ وات برای ۱۵۰ ثانیه به دست می‌آید و زمان سیکل کلی سیستم می‌تواند ۶۹۰ ثانیه باشد. دستیابی به بازدهی ۵۰ درصد کارنو در این نوع سردکننده، امکان پذیر  خواهد بود.

سرد کننده های جذب سطحی He ³

بهترین روش برای دستیابی به دماهای کمتر از ۳ درجه ی کلوین، استفاده از سرد کننده های کامل و فشرده ی ³He است. ³He مایع به علت نقطه ی جوش پایین تری که از ⁴He دارد، می تواند توسط یک حمام ⁴He در دمایی کمتر از ۲ درجه ی کلوین حفظ شده و سپس طی فرآیند جذب سطحی در زغال به دمای ۰٫۳ درجه ی کلوین رسانیده شود. این سرمایش تا زمانی که ³He تمام شود ادامه می یابد. سپس سیستم با حرارت دادن زغال جهت تهیه ی یک دوره ی سرمایشی دیگر احیا می گردد.

شکل (۳) نمایی شماتیک از یک سرد کننده ی  ³He دارای پمپ را به نمایش می‌گذارد که در فضا نیز به کار گرفته شده است. این سرد کننده ی فضایی توان سرمایشی برابر با ۱۵ میکرووات برای مدت ۸ روز در دمای ۰٫۳ درجه ی کلوین ایجاد  نموده است. این سیستم سپس ³He را در مدت ۱۵ ساعت و برای یک duty cycle به مقدار ۹۳ درصد بازیافت نموده است. این سیستم، متوسط بارگرمایی کمتر از ۲ میلی وات در دمای ۱٫۹ درجه ی کلوین داشته و جرمی کمتر از ۸۷۰ گرم دارد. چنین سرد کننده ای دارای مزایایی از قبیل عدم وجود قطعات متحرک، عدم لرزش و  طول عمر نامحدود است. انتظار می‌رود به زودی نسخه ی بزرگتر این سرد کننده جهت پشتیبانی یک آزمایش در زمینه ی مبانی فیزیک در ایستگاه فضایی بین المللی ساخته شود. همچنین  سیستم‌هایی دیگر با کارکرد مداوم برای کاربردهای فضایی در حال طراحی هستند.

سرد کننده های رقیق ساز Coolers  Dilution

شکل (۴) نحوه ی کار یک سردکننده ی جذب سطحی یک چرخه ای رقیق ساز را نشان می‌دهد. پایین ترین دما در محفظه ی اختلاط که در آن یک کرانه ی فاز بین ³He مایع و ⁴He به وجود می آید، حاصل می‌گردد. سرمایش زمانی حاصل می شود که ³He از این مرز گذر کرده و به ⁴He  وارد می‌شود. این مایع ³He رقیق شده از محفظه ی اختلاط، به سوی محفظه ای با دمای بالاترحرکت می‌کند که در آنجا به روش تقطیر جزء به جزء از ⁴He جدا می گردد. گاز ³He حاصله،  توسط پمپ زغال جمع آوری می شود. سیکل تبرید زمانی پایان می‌گیرد که تمام ⁴He در پمپ زغال جمع آوری شده باشد. از آنجایی که این سردکننده برای پمپ کردن، از فرآیند جذب سطح در زغال استفاده می‌کند، تمام عملیات آن می‌تواند توسط  گرم کننده ها کنترل شده و در نتیجه هیچ بخش متحرکی در سرد کننده وجود نداشته باشد.

اصلاح سیستم جهت کار در نیروی  جاذبه ی پایین در فضا 

بر روی زمین، عملکرد یک سرد کننده ی رقیق ساز، بستگی به نیروی جاذبه جهت نگه داشتن مایع ³He و ⁴He در محفظه های مورد نظر دارد ( پمپ زغال دارای بخش مایع نبوده و به همین دلیل بستگی به جاذبه ندارد ). در داخل سردکننده ی رقیق ساز، دو فصل مشترک مایع-بخار و یک فصل مشترک مایع – مایع وجود دارد.

تمام این فصول مشترک، بایستی بتوانند به شکلی ایستا در شرایطی که نیروی جاذبه وجود ندارد، قرار گیرند تا جریان آزاد گازهای تبخیر شده و  ³He در فازهای مایع این سرد کننده برقرار گردد. از جمله اصلاحاتی که بدین منظور انجام گرفته اند، می توان به پرکردن محفظه های مایع این سیستم با ماتریس‌های فلزی گدازه وار و متخلخل اشاره نمود که مایع موجود را با به کارگیری نیروهای مویینگی در محل مورد نظر حفظ می‌کنند.

محفظه ی اختلاط، با فلز مس متخلخل با حفره هایی با دو اندازه ی متفاوت پر شده است.  بخش ثابت، دارای ماتریس مسی با یک اندازه حفره‌ی ثابت است. خط ارتباطی نیز با فولاد ضد زنگ گدازه وار پر شده است. این پیکربندی بر روی زمین مورد آزمایش قرار گرفته است. چنین سیستمی توان سرمایشی معادل ۵ میکرو وات در  دمای ۰٫۱۰ کلوین ارائه داده و در شرایط بدون  بار تا دمای ۰٫۰۶ کلوین نیز رسیده است. این سیستم مزیت‌هایی مانند عدم وجود قطعات متحرک، عدم لرزش و طول عمر نامحدود دارد.

در حال حاضر تحقیقاتی جهت ساخت نسخه ای از این سیستم که بتواند بدون وقفه جهت استفاده در فضا مورد بهره برداری قرار گیرد، در حال انجام  است.

اگر شما هم می خواهید برودت را به صورت حرفه ای و تخصصی با یک استاد مجرب آموزش ببینید می توانید در دوره آموزشی مهندسی برودت حرفه ای (تبرید) شرکت کنید.