لا يقتصر الأمر على الهندسة فحسب، بل إنه فن - نظام التبريد الكاشف بالأشعة تحت الحمراء الخاص بتلسكوب جيمس ويب الفضائي

في شهر يوليو الماضي احتفل العالم بحماس كبير بمرور عامين على أول صورة التقطها تلسكوب جيمس ويب الفضائي (تلسكوب جيمس ويب الفضائي – JWST) [1]. تكريما لهذا الحدث، تم تخصيص 4 فصول كاملة ومثيرة للاهتمام للغاية لهذا الموضوع على قناة البودكاست بجامعة تل أبيب، ومن بين أمور أخرى تم نشرها أيضًا هنا على الموقع. في كل حلقة ظهر باحث مختلف أخبرنا كيف أنه بمساعدة JWST من المتوقع أن يحصل مجال بحثه على ترقية جدية. يتعلق الأمر بمجموعة متنوعة من المواضيع - البحث عن الحياة خارج الأرض، وفهم أعمق للمادة المظلمة، ودراسة النجوم النيوترونية، والثقوب السوداء، والمزيد.

تصل المعلومات الأولية إلى الباحثين بالطريقة التالية: يتم التقاط الإشعاع بواسطة المرآة الرئيسية للتلسكوب (أكبر مرآة تم إرسالها إلى الفضاء على الإطلاق، قطرها 6.5 متر، في الشكل أدناه يمكنك رؤية المقارنة مع مرآة التلسكوب). تلسكوب هابل وشكل إنسان) ومن ثم يتم إرسالها إلى أربعة أجهزة كشف تترجمها إلى صور في طيف ضوء الأشعة تحت الحمراء بأطوال موجية مختلفة.  

تلسكوب هابل الفضائي بعد الانتهاء من الاختبارات الوظيفية من [17]

تم تصميم كل كاشف حسب الدور الممنوح له:

• كاشف NIRCam  - كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء وظيفتها التقاط الضوء من النجوم والمجرات البعيدة منذ بداية الكون[3]. 
• كاشف NIRSpec - كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء تعمل بنفس نطاق التردد مثل NIRCam، حيث تتميز NIRSpec بالقدرة على مسح ما يصل إلى 100 كائن في وقت واحد [4].
• ميري - كاشف للأشعة تحت الحمراء يعمل في نطاق طول موجي مختلف عن NIRSpec وNIRCam، حيث يتم من خلاله البحث عن الأجسام الأصغر مثل المذنبات والكواكب خارج المجموعة الشمسية ودراستها [5]. 
• FGS-نيريس - كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء، دورها تشغيلي، يتم من خلالها التحكم في مسار التلسكوب[6].  

في الشكل أدناه يمكنك رؤية ملخص فني لمجالات عمل الكاشفات ومهام الكشف الخاصة بها.

إن طبيعة عمل كاشف الأشعة تحت الحمراء تتطلب التبريد العميق (التبريد) أو بمعنى آخر للحصول على صورة عادية بدون ضوضاء، يحتاج الكاشف إلى أن يكون باستمرار في درجات حرارة منخفضة جداً[2]. اعتمادًا على الأطوال الموجية للإشعاع الذي من المفترض أن "يراه" كل كاشف، يتم تحديد درجة حرارة عمله ويمكن أن تتراوح من بضع درجات فوق الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية) إلى عدة عشرات من الدرجات فوق الصفر المطلق.

وكما نفهم، فإن التبريد المبرد للكاشفات، خاصة في الفضاء، يصبح مشكلة هندسية صعبة. لذا، بالنسبة للكاشفات الثلاثة NIRSpec وNIRCam وFGS-NIRISS، فإن العمل بسيط نسبيًا: درجة حرارة عملها هي -235 درجة مئوية ويتم تبريدها بشكل سلبي (عن طريق تثبيتها على السطح تمامًا في مكان بارد جدًا وبطرق مختلفة للحرارة). وبإدارة تمكن المهندسون من تخطيط دورة حرارية تعمل على تثبيت درجة حرارة هذه الكاشفات عند القيمة المطلوبة.

أما الكاشف الرابع MIRI (أما الاسم فمن المؤكد أن مهندسا إسرائيليا كان يعمل هناك وأراد أن يقدم هدية لزوجته...) فالأمر أكثر تعقيدا. يجب تبريد الكاشف الذي يقوم بمسح نطاق واسع من الترددات إلى درجة حرارة تبلغ 6 كلفن فقط، -267 درجة مئوية. لا يمكن الحصول على درجة الحرارة الباردة هذه بوسائل سلبية فقط (تعني سلبية في النهاية أنها متصلة بسطح أكثر برودة بطريقة ما) ولذلك كان على المهندسين تصميم ثلاجة مخصصة لهذه المهمة.

جيد، سيتم في هذا العمل مراجعة كاشف الثلاجة المبردة ميريوأجزائه الرئيسية وسنتطرق أيضًا بإيجاز إلى الاختبارات التي أجروها على النظام المبرد قبل الإطلاق.

حسنًا، كيف يمكنك تنظيم تبريد شيء ما، في حالتنا كاميرا تزن بضع عشرات من الجرامات، من درجة حرارة الغرفة، حوالي 25 درجة مئوية إلى درجة حرارة -267 درجة مئوية (أقل قليلاً من درجة حرارة آلة التصوير بالرنين المغناطيسي الصناعية) فقط أن الكاميرا على ارتفاع 1.5 مليون كيلومتر فوق الأرض ويجب أن تعمل بشكل متواصل على الأقل 10 سنوات دون القدرة على الإصلاح والصيانة؟

هيكل الثلاجة

وبعد الانتهاء من توصيف كاشف MIRI في أواخر التسعينيات، بدأ المهندسون بالتفكير في الثلاجة المخصصة للمهمة. أولاً، كان مفهوم التبريد الرائد عبارة عن خزان هيدروجين صلب تم تعليقه على ارتفاع حوالي متر فوق التجميعات الضوئية لـ MIRI التي تتطلب فعليًا درجة الحرارة الباردة، ثم من خلال عملية الانعكاس (التسامي، وهي عملية تمر فيها مادة في حالة صلبة إلى الطور الغازي دون المرور بالطور السائل في الطريق)، تم الحصول على الهيدروجين الغازي الذي كان يتدفق في الأنبوب الذي يربط الخزان بـ MIRI وهكذا تم الحصول على التبريد. تم تطوير هذا المفهوم حتى عام 90 تقريبًا ثم أدركوا أنه يسبب مشاكل خطيرة في الوزن. لذلك، تقرر الانتقال إلى تطوير مفهوم تبريد آخر - الثلاجة الميكانيكية، وهو المفهوم الذي تم التخلي عنه في البداية بسبب ادعاءات عدم النضج التكنولوجي للمكونات الرئيسية [2005]. 

إذا كنت تسأل نفسك "ماذا، لقد استغرق الأمر 5 سنوات (!) ليدركوا أن الثلاجة التي يخططون لها ثقيلة جدًا؟"، فأنت على حق تمامًا. فريق من المهندسين الذين كتبوا عن السنوات الأولى في تطوير الثلاجة [7]، بأمانة مثيرة للإعجاب يعترفون بذلك ويعددون مجموعة من الأسباب التي تجعل معظمها على الأقل لم تكن تقنية، بل تنظيمية وإدارية. لذا، نعم، من الجميل أن نقرأ أن التأخير في المشاريع المهمة بسبب البيروقراطية والسياسة لا يحدث في إسرائيل فقط.

استمر تطوير الثلاجة الميكانيكية، والتي كانت في ذلك الوقت بالفعل على مستوى نضج متوسط ​​(لم يكن عليهم تطوير كل شيء من الصفر) بشكل كامل حتى العرض الناجح في عام 2008 [8]. يا لها من متعة

حسنا، الثلاجة الخاصة بكاشف MIRI هي ثلاجة بغاز التبريد الهيليوم، ولها أربعة مستويات للتبريد، كل مستوى يخفض درجة الحرارة إلى قيمة أقل، مع تحقيق المستويات الثلاثة الأولى من التبريد باستخدام طريقة التبريد أنبوب النبض والدرجة الأخيرة من التبريد والتي تخفض درجة حرارة الهيليوم من 18 ك إلى 6 ك هي من النوع جول طومسون (JT). يظهر مخطط الثلاجة في الشكل التالي.

قبل أن نتعمق ونخوض في التفاصيل حول الطرق المذكورة، دعونا نتعمق قليلاً في الاتفاقية المقدمة. إذًا ما لدينا هنا: يخرج غاز الهيليوم من ضاغط JT عندما يكون في درجة حرارة الغرفة، وهي ساخنة نسبيًا ويمر عبر المبادلات الحرارية حتى يبرد إلى 18 كلفن. وأخيرا بعد المرور بمكون JT الذي سنشرح ماهيته قريبا يصل إلى درجة الحرارة المستهدفة وهي 6 درجات كلفن ويبرد الكاشف ويعود إلى الضاغط حيث يتم ضغطه ويعود إلى البرودة.

كلا الضواغط أيضًا أنبوب النبض وأيضا من جول طومسون وتتلقى كل منها الكهرباء من نظام إلكتروني منفصل، حيث يكون النظام الإلكتروني مسؤولاً أيضًا عن التحكم وجمع البيانات في الوقت الفعلي من الثلاجة.

سنتحدث الآن بإيجاز عن طرق التبريد المطبقة هنا.

جول طومسون

سميت هذه الطريقة باسم الباحثين الكبيرين جيمس بريسكوت جول وويليام طومسون (اللورد كلفن) اللذين اكتشفا معًا في عام 1852 تأثيرًا مثيرًا للاهتمام: عندما يتمدد الغاز المضغوط إلى ضغط أقل، فإنه يبرد [11]. تعتمد درجة تبريد الغاز، سواء كانت بضع درجات أو عشرات الدرجات، على عدة عوامل، مثل نوع الغاز وفرق الضغط.

ما الأمر بهذه البساطة؟ نعم بهذه البساطة.

الآن نحن نفهم أن المكون الغريب "JT" في مخطط الثلاجة هو مجرد فوهة أو تضيق في أنبوب أو ثقب. في الشكل أدناه نرى وصفًا تخطيطيًا لمثل هذا الجهاز، يسمى باللغة المهنية "الفوهة المتقاربة والمتباعدة". من الأفضل استخدام مثل هذا الجهاز، وسوف نحصل على انخفاض في درجة الحرارة وستكون سرعة الغاز القصوى. 

بسبب البساطة والموثوقية العالية، يتم تطبيق أنظمة التبريد المبردة القائمة على تأثير جول طومسون في عدد لا بأس به من المجالات التكنولوجية، وأهمها هو تبريد أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء في الصواريخ التكتيكية [13].

دعونا نلاحظ أيضًا أنه من أجل التبريد، ليست هناك حاجة للأجزاء المتحركة (مقارنة، على سبيل المثال، بمكيفات الهواء في منازلنا) التي تخلق اهتزازات وصدمات، لذلك غالبًا ما تُفضل هذه الطريقة في الأنظمة ذات البصريات الدقيقة مثل تلسكوب فضائي.

كما أننا نفهم الآن سبب استخدام مهندسي الثلاجات لغاز الهيليوم: فهو المادة الوحيدة في الكون الموجودة في الطور الغازي في مثل هذا النطاق الواسع من درجات الحرارة - الهيليوم غاز في درجة حرارة الغرفة ولا يصبح مادة صلبة إلا عند درجة حرارة معينة. تبلغ درجة الحرارة حوالي 1.5 كلفن فوق الصفر المطلق، لذلك يسهل التدفق إليه.

في الوقت نفسه، فإن الطريقة لها أيضًا عيوب، أهمها - تأثير التبريد ضعيف نسبيًا، بالإضافة إلى تفرد الهيليوم - إذا انتشر في درجة حرارة الغرفة، فسوف يسخن بالفعل. ومن أجل الحصول على تأثير التبريد المطلوب في النهاية، يجب تبريد الهيليوم الموجود في خط تبريد جول-طومسون إلى درجة حرارة منخفضة بدرجة كافية. ولهذا السبب تم دمج دورة تبريد أخرى هنا، أنبوب النبض.

أنبوب النبض

في نظام التبريد هذا الذي تم تطويره في الثمانينيات من القرن الماضي [80]، يتم الاستفادة من خصائص الهيليوم كغاز حقيقي في دورة من الضغط والتمدد في ظل ظروف مختلفة تسمح بالتبريد التدريجي للغاز. تعتبر هذه الطريقة أكثر كفاءة من الطريقة السابقة، لذلك قرروا استخدامها للتبريد المسبق لمرحلة جول طومسون. يسمح استخدام عدة مستويات من التبريد بالعمل عند ضغوط أقل، وعلى الرغم من أن تقسيم الثلاجة إلى مستويات مختلفة يقلل من الموثوقية الإجمالية للنظام، إلا أن كل مستوى بسيط نسبيًا وبالتالي يمكن الاعتماد عليه.  

وفي ختام هذا الفصل نقول إن التبريد التدريجي هو الطريقة المقبولة للحصول على مثل هذا التبريد العميق. وعندما نقرأ في مواقع أخبار العلوم والتكنولوجيا "تمكن العلماء من التبريد والوصول إلى درجة حرارة مليار درجة كلفن عن طريق عكس دوران الإلكترون"، فسنتذكر أنه قبل الألعاب مع الإلكترونات استخدم العلماء طرق التبريد الموضحة أعلاه للوصول إلى درجات الحرارة حيث تبدأ هذه الألعاب مع الإلكترونات في الظهور.

اختبارات الثلاجة قبل الإطلاق  

كما ذكرنا سابقًا، فإن أحد أصعب المتطلبات لأي تجميع في تلسكوب جيمس ويب الفضائي هو الموثوقية ونقص الصيانة. يجب أن يعمل كل شيء بشكل مثالي، منذ المرة الأولى وطوال عمر المنتج. إذا كنت تعتقد أن هذه مشكلة خيالية بحتة، فسوف نتذكر والد جيمس ويب، تلسكوب هابل الفضائي.

كان هابل، وهو أعجوبة تكنولوجية في حد ذاته، شبه معطل خلال السنوات الثلاث الأولى من عمره بسبب عيب تصنيعي صغير في مرآته الرئيسية [15]. لقد تطلب الأمر قدرًا لا بأس به من العبقرية الهندسية بالإضافة إلى الكثير من الحظ (على سبيل المثال، لم يتم تفكيك الهيكل الذي تم وضع المرآة عليه أثناء اختباراتها وأثار الغبار في مستودع الشركة المنتجة لها. وقد ساعد ذلك بشكل كبير (للمهندسين لفهم ما حدث هناك بالضبط) لحل المشكلة من وجهة نظر تصميمية، ومن ثم تم إطلاق مهمة فضائية خاصة لتطبيق الحل على التلسكوب نفسه.

كلفت هذه القصة بأكملها 50 مليون دولار [16]، على الرغم من أنك إذا سألتني، إذا لجأوا إلى العامل الماهر الخاص بي، نيف، لكان قد أصلحهم أيضًا مقابل 400، وسقف بقيمة 600 شيكل، طالما كان الأمر كذلك. نقداً (من كان لجنة منزلية يفهم ما أتحدث عنه)…

حسنًا، لقد فهمنا، يجب أن يكون جيمس ويب على حق منذ البداية. وسنتذكر أيضًا أنه بالمقارنة مع تلسكوب هابل الذي تم إطلاقه على ارتفاع حوالي 500 كيلومتر فقط، تم إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي على ارتفاع 1.5 مليون كيلومتر. إن الوصول إلى هناك إذا لزم الأمر سيكون أكثر تعقيدًا إلى درجة أنه مستحيل.

حسنًا، كيف يمكننا اختبار منتج فضائي؟ بشكل أساسي، تنقسم مراحل الاختبار إلى مرحلتين رئيسيتين في عمر المنتج: مرحلة الإطلاق ومرحلة العمل الفضائي.

مرحلة الإطلاق، هي مرحلة لا ينبغي للمنتج أن يعمل فيها عادةً، بل يجب عليه فقط البقاء على قيد الحياة، حيث تكون هذه المرحلة صعبة ووحشية، مصحوبة باهتزازات قوية وصدمات وضوضاء صوتية. عادةً ما يتم توفير توصيف قوة الإطلاق من قبل الشركة المصنعة لجهاز الإطلاق: على سبيل المثال، عندما تريد الإطلاق بواسطة جهاز الإطلاق Space X، تتلقى من Elon Musk كتابًا سميكًا يحتوي على جميع التعاريف التي بموجبها يتم إطلاق القمر الصناعي يجب أن تصمد ولا تتفكك أثناء الإطلاق. وبناء على ذلك، تم أيضًا اختبار ثلاجة MIRI والتأكد من استيفائها لشروط الإطلاق.

مرحلة العمل في الفضاء هي مرحلة مختلفة تماما. في هذه المرحلة، يحتاج القمر الصناعي بالطبع إلى العمل، ومن ناحية أخرى لا توجد اهتزازات وضربات، والحياة سلمية وهادئة نسبيًا. التغير البيئي الوحيد المتوقع هو فقط في درجة الحرارة - يدور القمر الصناعي ويغير موقعه بالنسبة للشمس وبالتالي تتغير درجة حرارته.

سوف نعود إلى ثلاجة MIRI المبردة وجيمس ويب. خضعت الثلاجة في البداية لاختبارات مختلفة باعتبارها ثلاجة فقط [7] ثم تم تركيبها على القمر الصناعي. أخيرًا، في عام 2017، أُجريت التجربة الختامية [17]، حيث بقي القمر الصناعي بأكمله لمدة 100 يوم في غرفة مفرغة، وهي منشأة ضخمة قادرة على محاكاة الظروف الجامحة في الفضاء: درجة حرارة منخفضة جدًا وانعدام تام للجاذبية (الفراغ العميق).

ومن أصل 100 يوم، أي حوالي 35 يومًا، تعرض القمر الصناعي لظروف التشغيل الكاملة، وتم خلالها إجراء اختبارات شاملة لجميع أنظمته وكاشفاته أثناء عملها، بما في ذلك الثلاجة المبردة. وفي الشكل أدناه تظهر صورة القمر الصناعي بعد انتهاء التجربة، وبالتأكيد يمكنك الحصول على انطباع عن حجم المنشأة.

سوف يتعرف الأشخاص ذوو العيون الحادة على الابتسامات السعيدة للموظفين.

آمل أن يكون الأمر جيدًا وقد استمتعت به.

مثل كل مقالاتي، هذا المقال مخصص أيضًا لابنتنا الحبيبة المرحومة ميكال.

أفتقدك

מקורות

• جيمس ويب تليسكوب الفضاء
• مبردة أو غير مبردة
• كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRCam)
• NIR
• ميري
• FGS-نيريس
• "هندسة نظام تبريد الأجهزة بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة لتلسكوب جيمس ويب الفضائي"، ك. بانكس وآخرون، بروك. من SPIE المجلد. 7017، 70170أ، (2008)
• "العرض التوضيحي للنموذج الأولي لنظام التبريد الفرعي لأداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI)."، د. دوراند وآخرون، لجنة الانتخابات المركزية المجلد. 53 (2008)
• "نظام التبريد لبرنامج تطوير تقنية التبريد البارد المتقدم (ACTDP) من NGST"، ج. راب وآخرون، المبردات بالتبريد 13 (2004)
• مبرد
• تأثير جول-تومسون
• فوهة متقاربة ومتباعدة
• "التحقيق التجريبي والعددي لمبرد جول طومسون المصغر ذو الدورة المفتوحة لدرجات حرارة العمل من 100 كلفن إلى 150 كلفن مع مبردات مكونة واحدة"، أ. شابيرو وآخرون. علم التبريد الشديد 2022
• ثلاجة أنبوب النبض
• تلسكوب هابل الفضائي
• البصريات التصحيحية استبدال محوري التلسكوب الفضائي
•  "تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) عنصر التلسكوب البصري ووحدة الأدوات العلمية المتكاملة (OTIS) برنامج ونتائج الاختبار المبرد"، RA Kible et. al. Proc. of SPIE المجلد. 10698 (2018)

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• يكشف تلسكوب ويب التابع لناسا عن المنحدرات الكونية ومناطق تشكل النجوم في سديم كارينا
• يكشف تلسكوب جيمس ويب الفضائي عن كوكب خارج المجموعة الشمسية فريد منتفخ وغير متماثل
• تل أبيب 360 بودكاست: سنتان من جيمس ويب، الحلقة 1: الأعجوبة العظيمة في السماء
• رياح التغيير: يكشف تلسكوب جيمس ويب الفضائي عن تفاصيل بعيدة المنال في أنظمة النجوم الشابة