Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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124 Des outils pour sonder l’Univers Des cryoréfrigérateurs pour l’espace À l’environnement spatial correspondent des contraintes spécifiques dont la résistance mécanique liée au décollage, l’absence de gravité, la plus critique d’entre toutes concernant la fiabilité d’instruments prévus pour fonctionner 5 à 10 ans sans panne. La solution viendrait de systèmes dotés de pièces mobiles sans frottement, voire dépourvus de pièces en mouvement. Installation d’un cryoréfrigérateur de vol sur le cryostat de test. C CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 omment obtenir des températures cryogéniques dans l’espace ? Le moyen le plus simple consiste à profiter des ressources naturelles disponibles – par exemple, celles offertes par le vide quasi parfait de l’Univers et le « fond » froid du ciel. L’absence de matière (notamment de gaz) limite les échanges de chaleur aux seuls transferts radiatifs. Dès lors, en se positionnant face au fond noir du ciel qui rayonne à environ 2,7 K, il s’avère théoriquement possible de refroidir une surface jusqu’à des températures de seulement quelques kelvins (1). Dommage qu’en pratique, la méthode ne vaille que pour des orbites particulières – les meilleurs systèmes, appelés radiateurs passifs, ne permettant pas d’atteindre des températures inférieures à 30 ou 40 K. Une autre solution consiste à prendre un liquide cryogénique, préalablement liquéfié sur terre et stocké dans un réservoir appelé cryostat, puis de profiter du vide intersidéral pour obtenir un refroidissement par évaporation. Cette technique permet (1) La correspondance entre l’échelle en kelvin (K) avec les degrés Celsius est facile : l’échelle de kelvin prend son origine au zéro absolu (-273,15 °C) et 1 K vaut donc 1 °C. d’atteindre des températures de 1,5 K en utilisant de l’hélium – l’obtention de températures inférieures nécessitant de passer par d’autres solutions technologiques. Du cryostat au cryoréfrigérateur Pourtant, les orientations actuelles de la cryogénie spatiale privilégient la suppression de cryostats au profit de systèmes, appelés cryoréfrigérateurs, conçus pour refroidir jusqu’aux températures cryogéniques (en dessous de 120 K). En effet, bien que l’utilisation de cryostats soit une technique simple et offrant de multiples avantages, celle-ci n’en présente pas moins deux inconvénients majeurs : une masse et un volume importants qui limitent la durée de mission en raison de l’assèchement du réservoir. En revanche, les cryoréfrigérateurs peuvent fonctionner quasi indéfiniment car leur source électrique s’alimente grâce à l’énergie photovoltaïque disponible dans l’espace, ce dont bénéficient déjà presque toutes les missions spatiales. Le SBT, notamment le Laboratoire cryoréfrigérateurs et cryogénie spatiale, développe depuis plusieursL. Vigouroux/CEA
années des systèmes de refroidissement adaptés aux différentes contraintes spatiales. Pour les froids extrêmes, la solution consiste à associer plusieurs cryoréfrigérateurs en cascade pour couvrir l’intégralité de la gamme des températures. Ces chaînes cryogéniques peuvent atteindre des températures de 20 mK (-273,13 °C). Actuellement, trois technologies émergent pour obtenir le refroidissement d’un composant destiné à une application spatiale, et à des températures inférieures à 1 K (-272,15 °C) : • le refroidissement par évaporation utilisant un isotope de l’hélium (l’hélium 3) ; • le refroidissement magnétique par désaimantation adiabatique ; • la dilution, c’est-à-dire les propriétés des deux isotopes de l’hélium. Les équipes du SBT développent toutes ces techniques. La première d’entre elles leur a valu une réputation mondiale depuis son utilisation par les instruments SPIRE (pour Spectral and Photometric Imaging Receiver) et PACS (pour Photo detector Array Camera and Spectrometer) embarqués sur le satellite Herschel. Pour comprendre le principe du cryoréfrigérateur, il faut savoir que le refroidissement par évaporation répond au même mécanisme physique que la transpiration. Pour l’eau, le passage de l’état liquide à l’état de vapeur requiert de l’énergie ; mais en l’absence de toute source de production extérieure d’énergie, la solution pour en obtenir consiste à ponctionner directement sur l’agitation thermique des atomes. Par conséquent, il devient alors possible de procéder au refroidissement. Cette propriété vaut pour tous les fluides ou presque, même la transpiration procède de la sorte pour réguler la température corporelle. Pour l’hélium 3, elle permet d’atteindre des températures de -272,85 °C (300 mK). En revanche, l’hélium 3 ne peut couvrir seul l’intégralité de la gamme depuis la température ambiante. Aussi, pour les besoins de la mission Herschel, a-t-il fallu lui associer de l’hélium 4 (un énorme réservoir d’environ 2 500 litres) indispensable pour obtenir une température d’environ 2 K. Concernant les basses températures, il faut souligner que les avancées ne s’apprécient pas en termes de différence mais plutôt de rapport. En l’occurrence, refroidir de 2 K à 300 mK (rapport 7) s’avère pratiquement aussi difficile que de passer de la température ambiante (293 K) à -230 °C (42 K). Pour optimiser le taux d’évaporation, les chercheurs procèdent par pompage et, pour gagner en fiabilité, s’appuient sur les propriétés d’adsorption des charbons actifs, ce qui leur évite l’emploi de pièces mobiles. Il faut dire que ce matériau offre une surface importante ( 1 200 m²/gr) qui, une fois refroidie, « piège » les molécules de gaz puis, à l’inverse, les « relâche » lorsqu’elles se trouvent chauffées (phénomène d’adsorption physique lié aux forces de Van der Walls). Les températures d’adsorption et de désorption dépendent alors de la nature du gaz. Dans le cas de l’hélium, en chauffant le charbon actif à -230 °C (45 K), puis en le refroidissant à -270 °C (3 K), il devient possible d’obtenir les pressions nécessaires à la condensation du liquide, puis à son pompage. Ainsi peut-on alors abaisser la pression et donc la température (figure 1). Entièrement statique, ce processus se révèle très efficace en matière d’amplitude de pression. Dans le cas présent, il permet d'obtenir un taux pression liquide température gaz O,3 K (-272,85°C) 2 K (-271°C) Figure 1. Diagramme de phase de l’hélium 3 avec point extrême du cycle pour le liquide. de compression/détente de six ordres de grandeur (10 6), ce qui n'a pas d'équivalent avec des systèmes mécaniques. Un liquide sans gravité Envoyer des instruments dans l’espace suppose encore de résoudre la question de l’apesanteur. La gestion du liquide se règle par un confinement capillaire au sein d’un matériau poreux jouant le rôle d’éponge. Composé d’une mousse d’alumine, ce matériau présente une porosité ouverte, c’est-à-dire que chaque petite cavité communique avec ses voisines, laissant au liquide la possibilité de se déplacer, et au gaz celle d’être pompé. Le cycle thermodynamique ici en vigueur suppose de pouvoir contrôler les gradients thermiques dans le système, c’est-à-dire de maîtriser la répartition des températures. Là encore, le moyen d’y parvenir passe par une technique exempte de toute pièce mobile, à savoir celle des interrupteurs thermiques à gaz d’échange. Dans les systèmes cryogéniques, leur rôle équivaut à celui des interrupteurs électriques : mise en contact thermique de deux composants (écoulement de chaleur) ou, au contraire, isolement de l’un avec l’autre. Le basculement entre la position fermée (On) ou ouverte (Off) repose sur la présence, ou l’absence, de gaz entre deux pièces concentriques. La gestion du gaz s’opère au moyen d’une minipompe à adsorption, exempte de toute pièce mobile. confinement Principe du confinement capillaire. L’évaporateur (demi-sphère de titane visible sur la photographie) contient un matériau poreux jouant le rôle d’une éponge. point critique CEA CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 125



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