זו לא רק הנדסה, זו אומנות – מערכת קירור גלאי אינפרה אדום של טלסקופ החלל ג'יימס ווב

טלסקופ החלל 'ג'יימס ווב' מול צביר הגלקסיות SMACS 0723, שדה הגלקסיות הראשון שנחשף מהטלסקופ. תוצאות מוקדמות מטלסקופ החלל 'ג'יימס ווב' חשפו גלקסיות מוקדמות גדולות להפתיע, המאתגרות את המודלים הקוסמיים הנוכחיים. קרדיט: NASA, ESA, CSA, STScI
טלסקופ החלל 'ג'יימס ווב. קרדיט: NASA, ESA, CSA, STScI

ביולי האחרון העולם ציין בהתרגשות רבה שנתיים לתמונה הראשונה שצילם טלסקופ החלל ג'יימס ווב (James Webb Space Telescope – JWST) ‏[1]. לכבוד האירוע, 4 פרקים שלמים וסופר מעניינים הוקדשו לנושא זה בערוץ הפודקאסטים של אוניברסיטת תל אביב, ובין היתר פורסמו גם כאן באתר. בכל פרק הופיע חוקר אחר שסיפר איך בעזרת JWST תחום המחקר שלו צפוי לקבל קידום רציני. מדובר במגוון נושאים – חיפוש החיים מחוץ לכדור הארץ, הבנה מעמיקה יותר אודות החומר האפל, חקר כוכבי ניטרונים, חורים שחורים ועוד.

המידע הגולמי מגיע לחוקרים באופן הבא: הקרינה נקלטת במראה הראשית של הטלסקופ (המראה הכי גדולה ששוגרה אי פעם לחלל, קוטר 6.5 מטר, באיור מטה ניתן לראות את ההשוואה עם המראה של טלסקופ האבל ודמות אדם) ולאחר מכן מועברת לארבעה גלאים שמתרגמים אותה לתמונות בספקטרום האור אינפרה אדום באורכי גל שונים.  

תפקיד של כל גלאי על בסיס אורך גל נמדד, מתוך ‏[1]
השוואת גודלם של המראות הראשיות של טלסקופ החלל האבל – משמאל וטלסקופ החלל ווב ואת שניהם עם גודלו של אדם. מתוך אתר טלסקופ החלל ג'יימס ווב

טלסקופ החלל האבל לאחר גמר בדיקות פונקציונאליות, מתוך ‏[17]

כל גלאי מתוכנן עפ"י התפקיד שניתן לו:

  • גלאי NIRCam  – מצלמת אינפרה אדום שתפקידה לקלוט אור מכוכבים וגלקסיות רחוקות, מראשית היקום ‏[3]. 
  • גלאי NIRSpec – מצלמת אינפרה אדום שעובדת באותו תחום תדרים כמו NIRCam, כאשר הייחוד של NIRSpec הוא היכולת לסרוק עד 100 אובייקטים בו זמנית ‏[4].
  • MIRI – גלאי אינפרה אדום שעובד בתחום אורכי גל שונה מ-NIRSpec ו-NIRCam שבעזרתו מחפשים וחוקרים אובייקטים קטנים יותר, כגון שביטים וכוכבי לכת חוץ-שמשי ‏[5]. 
  • FGS-NIRISS – מצלמת אינפרה אדום, שתפקידה הוא תפעולי, באמצעותה עושים בקרת מסלול של הטלסקופ ‏[6].  

באיור מטה ניתן לראות סיכום טכני של תחומי העבודה של הגלאים ומשימות הגילוי שלהם.

סכמת המקרר הקריוגני ארבעה דרגתי, מתוך ‏[9]

אופי העבודה של גלאי אינפרה אדום דורש קירור עמוק (קריוגני) או במילים אחרות כדי לקבל תמונה תקינה ללא רעש, הגלאי צריך להיות כל הזמן בטמפרטורות נמוכות מאוד ‏[2]. בהתאם לאורכי גל של הקרינה שכל גלאי אמור "לראות", נקבעת טמפרטורת העבודה שלו והיא יכולה לנוע בין מעלות בודדות מעל האפס המוחלט (-273.15⁰C) לבין כמה עשרות מעלות מעל האפס המוחלט.

כמו שאנחנו מבינים, קירור קריוגני של הגלאים, בייחוד בחלל, הופכת להיות בעיה הנדסית לא פשוטה. אז עבור שלושת הגלאים NIRSpec, NIRCam ו-FGS-NIRISS, העסק יחסית פשוט: טמפרטורת העבודה שלהם -235⁰C והם מקוררים באופן פסיבי (ע"י הצמדה למשטח). סך הכול בחלל מאוד קר ועל ידי שיטות שונות של ניהול חום המהנדסים הצליחו לתכנן מחזור תרמי שמייצב את טמפרטורת הגלאים האלה בערך הנדרש.

לגבי הגלאי הרביעי, MIRI (לגבי השם, זה בהחלט יכול להיות שעבד שם מהנדס ישראלי שרצה לעשות מתנה לאשתו…) העסק יותר מורכב. גלאי שסורק ספקטרום רחב של תדרים, חייב להיות מקורר לטמפרטורה 6K בלבד, -267⁰C. טמפרטורה קרה כזו לא ניתן לקבל באמצעים פסיביים בלבד (אמצעי פסיבי בסופו של דבר מדובר בהצמדה בדרך כשלהי למשטח קר יותר)  ולכן המהנדסים נאלצו לתכנן מקרר ייעודי למשימה זו.

ובכן, העבודה הזו תסקור את המקרר הקריוגני של גלאי MIRI, את החלקים העיקריים שלו וגם ניגע בקצרה בבדיקות שביצעו למערכת הקריוגנית לפני השיגור.

או קיי, אז איך מארגנים קירור של משהו, במקרה שלנו מצלמה ששוקלת כמה עשרות גרמים, מטמפרטורת החדר, כ-25⁰C לטמפרטורה -267⁰C (קצת יותר נמוך מהטמפרטורה של מכשיר MRI תעשייתי), רק שהמצלמה נמצאת 1.5 מיליון קילומטרים מעל כדור הארץ ואמורה לעבוד ברצף לפחות 10 שנים ללא יכולת תיקון ותחזוקה?

מבנה המקרר

לאחר גמר האיפיון של גלאי MIRI בסוף שנות ה-90 של המאה הקודמת, המהנדסים החלו לחשוב על המקרר הייעודי למשימה. תחילה קונצפט הקירור המוביל היה מאגר מימן מוצק שהיה תלוי כמטר מעל המכלולים האופטיים של MIRI שדורשים בפועל את הטמפרטורה הקרה ואז על ידי תהליך של המראה (סובלימציה, תהליך שבו חומר בפאזה מוצקה עובר לפאזה הגזית ללא לעבור בפאזה הנוזלית בדרך), היה מתקבל המימן הגזי שהיה זורם בצינור המחבר את המאגר ל-MIRI וכך היה מתקבל הקירור. קונצפט זה פותח עד כ-2005 ואז הבינו שהוא גורם לבעיות משקל חמורות. לכן הוחלט לעבור לפיתוח קונצפט קירור אחר – מקרר מכאני, קונצפט שתחילה נזנח בגלל הטענות לחוסר בשלות טכנולוגית של הרכיבים המובילים ‏[7]. 

אם אתם שואלים את עצמכם "מה, לקח להם 5 שנים (!) להבין שהמקרר שהם מתכננים יוצא כבד מידי?", אז אתם צודקים לגמרי. צוות מהנדסים שכתבו על השנים הראשונות בפיתוח של המקרר [7], בכנות מרשימה מודה בזה ומונה שלל של סיבות לכך שרובם לפחות לא היו טכניות, אלא ארגוניות וניהוליות. אז כן, זה נחמד לקרוא שעיכובים בפרויקטים חשובים בגלל ביורוקרטיה ופוליטיקה קורים לא רק בישראל.

פיתוח המקרר המכאני שבזמן הזה היה כבר ברמת בשלות בינונית (לא היו צריכים לפתח הכול מאפס) נמשך באופן מלא עד להדגמה המוצלחת ב-2008 ‏[8]. איזה כייף.

ובכן, המקרר עבור גלאי MIRI הוא מקרר עם גז קירור הליום, בעל ארבעה דרגות קירור שכל דרגה מורידה טמפרטורה לערך נמוך יותר, כאשר שלושת דרגות הקירור הראשונות מושגות בעזרת שיטת קירור Pulse Tube ודרגת הקירור האחרונה, זאת שמורידה את טמפרטורת ההליום מ-18K ל-6K היא מסוג Joule-Thomson (J-T). הסכמה של המקרר מוצגת באיור הבא.

המקרר הקריוגני לפני הרכבתו על הלווין, מתוך אתר של NASA, קרדיט NASA/JPL-Caltech ‏[10]
המקרר הקריוגני לפני הרכבתו על הלווין, מתוך אתרNASA, קרדיט NASA/JPL-Caltech
‏[10]

לפני שאנחנו צוללים ומפרטים לגבי השיטות המוזכרות, נתעמק קצת לגבי הסכמה המוצגת. אז מה יש לנו כאן: גז הליום יוצא ממדחס J-T כאשר הוא בטמפרטורת החדר, כלומר יחסית חם ועובר במחליפי חום עד אשר הוא מתקרר ל-18K. לבסוף אחרי מעבר ברכיב JT שתיכף נסביר מה זה, הוא מגיע לטמפרטורת היעד, 6 מעלות קלווין, מקרר את הגלאי וחוזר חזרה למדחס, בו הוא נדחס וחוזר חזרה לקרר.

שני המדחסים, גם של Pulse Tube וגם של Joule-Thomson מקבלים את החשמל שלהם כל אחד ממערכת אלקטרונית נפרדת, כאשר המערך האלקטרוני אחראי גם לבקרה ולאיסוף נתוני זמן אמת מהמקרר.

נספר בקצרה כעת על השיטות הקירור שמיושמות כאן.

Joule-Thomson

שיטה זו קרויה על שם שני החוקרים הדגולים ג'יימס פרסקוט ג'אול וויליאם תומסון (לורד קלווין) שגילו ביחד ב-1852 תפעה מעניינת: כאשר גז דחוס מתפשט ללחץ נמוך יותר, הוא מתקרר ‏[11]. כמה הגז מתקרר אם זה כמה מעלות בודדות או עשרות מעלות תלוי בכמה פרמטרים, כגון סוג הגז והפרש הלחצים.

מה זהו, ככה פשוט? כן, ככה פשוט.

עכשיו אנחנו מבינים שהרכיב ה-"JT" המוזר בסכמה של המקרר, מדובר פשוט בנחיר, היצרות בצינור או חור. באיור מטה נראה תיאור סכמתי של התקן כזה, הנקרא בשפה המקצועית "נחיר מתכנס-מתבדר". התקן כזה עדיף לשימוש, נקבל ירידה בטמפרטורה ומהירות הגז יהיו מקסימליות. 

חתך של נחיר סטנדרטי, מתוך ‏[12]
חתך של נחיר סטנדרטי, מתוך ‏[12]

בגלל הפשטות והאמינות הגבוהה, מערכות קירור קריוגניות מבוססות אפקט ג'אול תומסון מיושמות בלא מעט תחומים טכנולוגיים, כאשר העיקרית שבהם – קירור גלאי אינפרה אדום בטילים טקטיים ‏[13].

נשים לב גם בשביל לקרר אין צורך בחלקים נעים (לעומת לדוגמה במזגנים אצלנו בבתים) שיוצרים רעידות ומכות, לכן שיטה זו הרבה פעמים מועדפת במערכות עם אופטיקה עדינה כמו טלסקופ החלל.

כמו כן, אנחנו מבינים עכשיו, למה מהנדסי המקרר השתמשו בגז הליום: זהו החומר היחיד ביקום שנמצא בפאזה הגזית בתחום רחב כל כך של טמפרטורות – הליום הוא גז בטמפרטורת החדר והוא הופך למוצק רק בטמפרטורה של כ- 1.5K מעל לאפס המוחלט, לכן קל להזרים אותו.

יחד עם זאת, לשיטה יש גם חסרונות, הראשית שבהם – אפקט הקירור יחסית חלש, בנוסף הייחוד של הליום – אם הוא מתפשט בטמפרטורת החדר, הוא דווקא יתחמם. בשביל לקבל את אפקט הקירור המיוחל בסוף, ההליום בקו קירור ג'אול – תומסון חייב להיות מקורר לטמפרטורה מספיק נמוכה. לכן משולב כאן עוד מחזור קירור נוסף, Pulse Tube.

Pulse Tube

במערכת קירור זו שפותחה בשנות ה-80 של המאה הקודמת ‏[14] מנצלים את התכונות של הליום כגז אמיתי במחזור משלב דחיסה והתפשטות בתנאים שונים שמאפשרים התקררות הדרגתית של הגז. שיטה זו יעילה יותר מהשיטה הקודמת, לכן החליטו להשתמש בה לצורך הקירור המקדים של דרגת ג'אול תומסון. שימוש בכמה דרגות קירור מאפשר עבודה בלחצים נמוכים יותר וכך למרות שפיצול המקרר לדרגות השונות, מוריד את האמינות הכללית של המערכת, כל דרגה מתקבלת יחסית פשוטה ולכן אמינה.  

לסיכום פרק זה, נגיד שקירור הדרגתי זו השיטה המקובלת לקבלת קירור עמוק כל כך. כאשר אנחנו קוראים באתרי חדשות המדע והטכנולוגיה "מדענים הצליחו לקרר ולהגיע לטמפרטורה של מיליארדית מעלת קלווין ע"י היפוך סיבוב האלקטרון", אז נזכור שלפני המשחקים עם האלקטרונים המדענים השתמשו בשיטות הקירור המתוארות מעלה כדי לרדת לטמפרטורות שבהם המשחקים האלה עם אלקטרונים מתחילים לבוא לידי ביטוי.

בחינות המקרר לפני שיגור  

כאמור אחת הדרישות הקשות ביותר עבור כל מכלול בטלסקופ החלל ג'יימס ווב הם אמינות וחוסר תחזוקתיות. הכול צריך לעבוד מושלם, מפעם הראשונה ובמשך כל חיי המוצר. אם אתם חושבים שזו בעיה דמיונית סך הכול, אז ניזכר באבא של ג'יימס ווב, טלסקופ החלל האבל.

האבל, פלא טכנולוגי בפני עצמו, היה מושבת למחצה במשך שלוש שנותיו הראשונות בגלל פגם קטן בייצור של המראה הראשית שלו ‏[15]. נדרשו לא מעט הברקות הנדסיות וגם הרבה מזל (למשל, הקונסטרוקציה עליה הונחה המראה בזמן הבדיקות שלה לא פורקה והעלתה אבק במחסן של החברה שייצרה אותה. זה מאוד עזר למהנדסים להבין מה בדיוק קרה שם) כדי לפתור את התקלה מבחינה תכנונית ואז משימת חלל מיוחדת שוגרה בשביל ליישם את הפתרון בטלסקופ עצמו.

כל הסיפור הזה עלה 50 מיליון דולר ‏[16], למרות שאם אתם שואלים אותי, אילו היו פונים להנדי מן שלי, ניב, אז הוא היה מתקן להם לא פחות טוב תמורת 400, גג 600 שקל, רק שיהיה במזומן (מי שהיה ועד בית מבין על מה אני מדבר)…

או קיי, אז הבנו, ג'יימס ווב חייב להיות תקין מהתחלה. נזכור גם שלעומת האבל ששוגר לגובה של כ-500 קילומטר בלבד, JWST שוגר לגובה 1.5 מיליון קילומטר. הגעה לשם במקרה הצורך תהיה הרבה יותר מורכבת עד לבלתי אפשרית.

ובכן, איך אנחנו בוחנים מוצר חללי? בעיקרון, שלבי הבדיקה מחולקות לשתי פאזות עיקריות בחיי המוצר: שלב השיגור ושלב העבודה בחלל.

שלב השיגור, הוא שלב שבדרך כלל המוצר לא אמור לעבוד, הוא רק צריך לשרוד, שכן השלב הזה קשה ואכזרי, מלווה ברעידות חזקות, הלמים ורעש אקוסטי. איפיון העוצמה של השיגור בדרך כלל מסופק ע"י יצרן של המשגר: לדוגמה, כאשר רוצים להיות משוגרים ע"י המשגר של Space X, מקבלים מאילון מאסק ספר עב כרס עם כל ההגדרות באילו תנאים על הלווין לעמוד ולא להתפרק בעת שיגור. בהתאם לכך, גם המקרר של MIRI נבחן ואושר שהוא עומד בתנאיי השיגור.

שלב העבודה בחלל הוא שלב שונה בתכלית. בשלב הזה הלווין, איך לא, צריך לעבוד, מצד שני אין רעידות ומכות, החיים יחסית שלווים ורגועים. השינוי הסביבתי הצפוי היחיד הינו רק בטמפרטורה – הלווין מסתובב, משנה את המיקום שלו יחסית לשמש ולכן הטמפרטורה שלו משתנה.

נחזור למקרר הקריוגני של MIRI ולג'יימס ווב. המקרר תחילה עבר בדיקות שונות רק כמקרר ‏[7] ולאחר מכן הורכב על הלווין. לבסוף ב-2017 התקיים הניסוי המסכם ‏[17], בו הלווין השלם שהה במשך 100 ימים בתא ואקוום, מתקן ענק שמסוגל לדמות את התנאים הסוררים בחלל: טמפרטורה מאוד נמוכה וחוסר כבידה מוחלט (ואקוום עמוק).

מתוך 100 הימים, כ-35 ימים הלווין נחשף לתנאים המבצעיים מלאים, במהלכם בוצעו בדיקות מקיפות לכלל המערכות והגלאים שלו תוך כדי העבודה שלהם, בין היתר למקרר הקריוגני. באיור מטה מופיעה התמונה של הלווין לאחר גמר של הניסוי, אפשר בהחלט להתרשם מהגודל של המתקן.

חדי העין יזהו את החיוכים המרוצים של הצוות ..

טלסקופ החלל ג'יימס ווב לאחר גמר בדיקות פונקציונאליות, מתוך ‏[17]

מקווה שיצא טוב ונהניתם.

כמו כל הכתבות שלי, גם הכתבה הזו מוקדשת לבת האהובה שלנו, מיכל ז"ל.

מתגעגעים.

מקורות

עוד בנושא באתר הידען:

תמונה של אלכס שפירא

אלכס שפירא

לכל הכתבות של המחבר

6 תגובות

  2. קל יותר להבין אפקט JT מניסיון היום יום – שחרור אוויר בלחץ גלגל מונטיל אופניים למשל

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

אתר זו עושה שימוש ב-Akismet כדי לסנן תגובות זבל. פרטים נוספים אודות איך המידע מהתגובה שלך יעובד.

לוגו אתר הידען
חיפוש