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Fait marquant

20 Kelvin dans l'espace sans fluide cryogénique



La technologie du tube pulsé haute fréquence (30 ~ 50 Hz) répond aux exigences de vibrations et de fiabilité de l'espace, mais était jusqu’à présent limitée à des températures supérieures à 35 K. Un programme expérimental a été conçu pour réduire la température au moyen d'une architecture ingénieuse…

Publié le 18 octobre 2009
Heureux de nos derniers développements dans le domaine des tubes pulsés haute fréquence conçus pour la réfrigération dans la gamme 50 - 80 K, l’ESA (Agence spatiale européenne) nous a chargés de mettre en œuvre un nouveau programme de développement, en partenariat avec Air Liquide, dont le but est de construire des cryoréfrigérateurs qualifiés pour l’espace ne produisant que quelques mW à des températures comprises entre 20 et 30 K. Grâce à nos recherches, nous avons pu développer divers produits qui ont maintenant atteint le stade de la fabrication industrielle.

Les développements actuels se concentrent maintenant sur l’obtention de températures encore plus basses, nécessaires pour de futures missions spatiales dans le domaine de l’astrophysique.

Les réductions de température ne peuvent pas être obtenues simplement en modifiant l’échelle des cryoréfrigérateurs, car plusieurs limitations physiques entrent en jeu à basse température, telles que la réduction de la capacité calorifique des matériaux du régénérateur ou des problèmes liés au changement des propriétés d'hélium. Il est donc nécessaire de concevoir des configurations à plusieurs étages qui présentent en outre l’avantage de concentrer le développement sur les étages les plus froids. Notre objectif était de concevoir un tube à gaz pulsé compatible avec un compresseur précédemment développé et qualifié pour l’utilisation dans l’espace, d’une puissance mécanique de 100 W.

Deux architectures sont décrites ci-dessous qui répondent à toutes les exigences : la première "interceptée" et l’autre "à deux étages". Dans la configuration "interceptée" (figure 1), un point intermédiaire du régénérateur est conditionné thermiquement à environ 80 K par une intersection. Pour les missions spatiales suffisamment éloignées de la Terre, il est possible d’obtenir des températures aussi basses que 50 K en utilisant des radiateurs passifs, qui sont de grandes zones rayonnant leur chaleur dans le froid de l’espace à 2,7 K. En laboratoire, cet effet de pré-refroidissement est obtenue en utilisant un cryoréfrigérateur supplémentaire. L'avantage de cette architecture est qu'elle limite les pertes de régénérateur. Avec cette configuration, nous avons 300 mW de puissance disponible à 20 K. Cette puissance peut être dissipée par des composants électroniques, ou par un détecteur, ou utilisée pour pré-refroidir une autre machine. Il peut également être utilisé pour refroidir le plan focal d'un télescope.


Figure 1 : Diagramme du tube à impulsions intercepté. La source froide peut être un cryoréfrigérateur de laboratoire et peut être remplacée par un radiateur passif dans l’espace.

Dans la configuration "à deux étages" (Figure 2) fonctionnant sans point thermique conditionné ni radiateur passif, le premier étage est conçu pour refroidir un écran thermique à 120 K. Sur l’étage plus froid, il fournit 200 mW à 30 K et correspond aux spécifications ESA pour ce mode de fonctionnement. Ce type de machine est utile pour les missions spatiales ne bénéficiant pas d'un radiateur passif, par exemple les missions proches de la Terre, ou pour simplifier l'architecture thermique.


Figure 2 : Tube à impulsions à deux étages.

Suite à ces développements, les travaux de recherche se poursuivront afin de réduire encore les températures atteignables. Prochaine cible : 15 K et une puissance de refroidissement suffisante pour pré-refroidir un autre type de refroidisseur, les boucles Joule-Thomson. Ces cryoréfrigérants sont utilisés en astrophysique spatiale pour réduire la température à 50 mK. Le passage de 20 K à 15 K à nos tubes à impulsions augmente les difficultés susmentionnées et implique des améliorations supplémentaires de notre conception.

Dans l'espace, il faut une fréquence élevée
Les tubes à impulsions peuvent être divisés en deux familles distinctes : "basse fréquence" ou "haute fréquence". Cependant, ce ne sont pas seulement leurs fréquences de fonctionnement qui les distinguent (2 Hz vs 50 Hz), mais surtout les technologies utilisées pour générer une onde de pression dans la machine. Les machines "basse fréquence", que l'on retrouve souvent dans les laboratoires, utilisent un compresseur à hélium associé à une vanne rotative. Ces machines ne conviennent pas aux applications spatiales, en raison de leur masse excessive et de la fiabilité insuffisante des compresseurs. Les tubes à gaz pulsés "haute fréquence" présentent par contre le principal avantage de peser moins de 5 kg. Deux pistons opposés, oscillant à environ 50 Hz, forment "l'oscillateur de pression". C’est le seul élément mobile du système. Les vibrations induites par cette machine sont donc limitées. Le dénominateur commun des deux familles est la présence d'un régénérateur fixe, sorte d'éponge thermique permettant d'atteindre des températures cryogéniques avec des variations de pression relativement faibles : oscillations de 1 à 2 bars avec une moyenne de 20 bars.

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