🧵 Pri mojom poslednom vlákne o Webbovom teleskope ste viacerí prejavili záujem o samostatné vlákno o tom, ako funguje termoakustický chladič, ktorým sú chladené infračervené senzory teleskopu. Tu už som sa trochu vytrápil, ale poďme na to: 
V prvom rade si povedzme, prečo tam nejaké chladenie musí byť prítomné a na čo vedci v NASA museli myslieť pri návrhu chladiaceho systému, ktorý použili. Teplota prostredia, v ktorom sa nachádzajú infračervené senzory teleskopu je cca -233 stupňov Celzia (40 Kelvin).
Napriek tomu, že je to pre človeka nepredstaviteľná zima, pre správne fungovanie teleskopu je toto stále príliš vysoká teplota. V mojom prvom vlákne som totiž spomínal, že tento teleskop nereaguje na svetlo z viditeľného farebného spektra, ale prijíma infračervené žiarenie.
Problémom tu je fakt, že každý jeden povrch (bez ohľadu na materiál), ktorého teplota je vyššia ako 0°K, prirodzene emituje infračervené žiarenie. A vy viete, že Webbov teleskop chce objavovať najtmavšie miesta vesmíru. Má teda senzory extrémne citlivé na infračervené žiarenie.
Pri teplote prostredia 40 stupňov Kelvin by jednotlivé povrchy teleskopu v blízkosti IR senzoru emitovali stále priveľa IR žiarenia a teda obraz z teleskopu by bol "zašumený" - videli by sme tam bodky, ktoré niesú vesmírny objekt, iba dôsledok vlastného žiarenia teleskopu.
Aby sme v obraze z teleskopu tento šum nemali, musí byť senzor a jeho okolie ochladené ešte o 33 stupňov na teplotu 7 Kelvin (-266 Celsius). A keďže chceme mať z teleskopu obraz, ktorý je ostrý, potrebujeme eliminovať akékoľvek vibrácie - klasický kompresor teda použiť nemôžeme.
Ak nechceme, aby sme chladičom teleskopu spôsobovali vibrácie, potrebujeme eliminovať čo najviac "pohyblivých častí". Každá zbytočná pohyblivá časť sú zbytočné vibrácie, ktoré nám rozostria obraz. A tu prichádza na scénu termoakustický chladič.
Základným fyzikálnym princípom, na ktorom tento chladič funguje je tzv. Joule-Thomsonov efekt. Niekedy sa označuje aj ako Joule-Kelvin efekt. Barón Kelvin sa totiž civilným menom volal William Thomson. Meno je však nepodstatné.
Tento jav hovorí o tom, že reálne plyny sa pri expanzii, pri ktorej nemusia vykonávať žiadnu prácu, ochladzujú alebo ohrievajú - závisí to od toho, aký plyn použijeme a aká je teplota okolia. V prípade použitého Hélia pri teplotách v bode L2 expanzia plynu znamená chladenie.
Zoberme si z toho iba základnú myšlienku - vyšší tlak plynu, vyššia teplota. Nižší tlak plynu, nižšia teplota. A tu začína mágia chladiča použitého vo Webbovom teleskope. Predstavte si rezonančnú komoru - uzavretú komoru, v ktorej je prítomné spomínané Hélium.
Zvuk nie je nič iné, než mechanické vlnenie - tak funguje aj náš ušný bubienok - zmenu atmosferického tlaku pôsobiaceho na náš ušný bubienok, spôsobenú zvukovou vlnou (vibráciami) dokáže naše ucho zachytiť a mozog interpretovať ako zvuk, ktorý počujeme.
Takže sme si povedali, že zvuková vlna nerobí nič iné, iba to, že mení tlak prostredia. A už sme si povedali, že Joule-Thomsonov jav znamená, že zmenou tlaku plynu vieme meniť teplotu tohoto plynu. Vedci v NASA si povedali, že toto využijú.
V rezonančnej komore chladiča teleskopu priebežne vytvárajú takzvané "stojaté vlnenie". Stojatá vlna je taká, ktorej vrcholy vlnenia nemenia svoju polohu v priestore. To znamená, že vieme presne povedať, na ktorých miestach sa tlak v dôsledku vlnenia mení a na ktorých nie.
No a tvar zvukovej vlny v rezonančnej komore chladiča je zvolený tak, aby na jednej strane komory boli vyššie amplitúdy (nazvime to hlasnejší zvuk) a na druhej strane nižšie (tichší zvuk). To zároveň znamená - na jednej strane vyšší tlak, na druhej strane nižší tlak.
Už viete, že tam kde je vyšší tlak je vyššia teplota a naopak. Samozrejme, kým sme v jednej rezonančnej komore, tlaky by sa nám vyrovnali. Inžinieri v NASA teda rezonančnú komoru rozdelili vrstvou, cez ktorú prejde zvuková vlna, ale zabraňuje prestupu tepla.
Tým pádom máme rezonančnú komoru rozdelenú na chladnú časť a teplú časť, a tu už je to pomerne jednoduché. Ku komore vedú dva výmenníky tepla. Jeden odvádza teplo z teplej časti k tepelnému štítu teleskopu, kde je toto teplo emitované do vesmíru (preč od senzorov teleskopu).
Druhý výmenník tepla odvádza "chlad" zo studenej časti rezonančnej komory, čím chladí elektroniku a infračervené senzory na požadovanú teplotu. Máme tu teda iba minimimum pohyblivých častí, ktoré spôsobujú vibrácie. Prvou je rezonujúci prvok v komore, ktorý generuje zvukovú vlnu.
Druhý pohyblivý prvok sú dve pumpy, ktoré preháňajú chladiaci plyn, Hélium, dookola celým systémom. Dve sú práve preto aby nespôsobovali vibrácie. Sú uložené presne oproti sebe a dokonale synchronizované a vyvážené, takže všetky vibrácie z ich činnosti sú neutralizované navzájom.
Samozrejme všetko toto čo tu píšem je extrémne zjednodušenie mimoriadne zložitého systému, ktorý však využíva dva jednoduché fyzikálne javy - spomínaný Joule-Thomson efekt a mechanické vlnenie. Tieto jednoduché javy sa veľmi precízne použili vo veľmi sofistikovanej konštrukcii.
Človek by si povedal, že je to len chladič, doplnkový komponent teleskopu. V tomto prípade je však absolútne kľúčový. Vďaka tomuto premyslenému mechanizmu sa dnes pozeráme na dokonale ostré a nezašumené obrázky hlbokého vesmíru.
Ak sa vám vlákno páčilo, poteším sa, keď mi to poviete v komentároch. Poteším sa aj za retweet. Obrázky nie sú moje, sú z rôznych zdrojov z internetu. Rovnako budem rád, ak ma upozorníte na prípadnú chybu v texte. Krásny deň všetkým. ❤️
• • •
Missing some Tweet in this thread? You can try to
force a refresh
