Криостаты ... в космосе !

Мы обращались к теме, что такое сосуд Дьюара, поскольку емкости, где можно сберегать не только газы, а и самые разнообразные субстанции, чрезвычайно востребованы. На планете Земля. И здесь совсем не до пафоса. Поскольку в продолжении темы мы рассмотрим, для чего криогенные емкости запускают на орбиту и даже дальше.
Собственно ответ мы кратко дали еще в указанной статье в части гамма и рентгеновской спектрометрии. Детекторы спектрометров надо охлаждать, чтобы убрать фон и получить исключительное разрешение. Поскольку задача на порядок сложнее, чем в дозиметрах. Нужно разделить линии спектров радиации, которые могут быть очень близко друг к другу. Хотя это касается и других датчиков. Например каких ? Инфракрасных ! В бытовых тепловизорах стоят микроболометры, которые не требуют охлаждения. Компросмисс междлу ценой, размерами и приемлемой точностью. Чего с головой достаточно для бытовых целей и энергоаудита. А вот для экстремально низкой погрешности, чтобы например буквально увидеть человека с расстояния в несколько километров, нужно охлаждать фотодетектор. И без жужащего насоса не обойтись ! 
Ну а теперь. Полетели в космос !  

Применение криогеники в космических телескопах

Да, в космических телескопах действительно используются криостаты, основанные на принципах сосуда Дьюара, для охлаждения инфракрасных (ИК) детекторов. Эти устройства необходимы, потому что ИК-датчики чувствительны к тепловому шуму: чем ниже температура, тем лучше разрешение и чувствительность. Без криогенного охлаждения детекторы "слепнут" из-за собственного излучения - теплового движения атомов. Но сначала буквально ступим шажок в сторону, чтобы обьяснение сделать более точным, подойдя совсем с другой стороны. Буддисты используют медитацию, чтобы успокоить мысли. И путем долгих тренировок способны достичь абсолютного спокойствия и просветления. Чего не возможно добиться из-за хаотичного роя мыслей, которые клубятся в голове, как пчелы летом около улея.

Вот такое же "просветление" дает охлаждение до сверхнизких температур и для термодетекторов инфракрасных телескопов. 

Давайте теперь ближе к делу.

В космосе применяют специализированные криостаты — это вакуумные сосуды с двойными (или многослойными) стенками, аналогичные Дьюару, но адаптированные для вакуума космоса. Они заполняются криогенами, такими как жидкий гелий (He-4 или He-3), который обеспечивает температуры от 4.2 К (температура кипения He-4 при нормальном давлении) до ниже 1 К в суперфлюидном состоянии (He II). Например, в телескопе Spitzer (NASA) использовался криостат объёмом 360 литров с жидким гелием, который охлаждал ИК-детекторы до ~5.5 К на протяжении миссии. Это позволило телескопу работать в ИК-диапазоне без помех от тепловых шумов

Примеры космических телескопов:

• Spitzer Space Telescope: Классический случай — криостат с жидким гелием, который испарялся постепенно, обеспечивая пассивное охлаждение. После исчерпания гелия (через 5.5 лет) телескоп перешёл в "тёплый" режим с температурой ~30 К, но из-за этого вынужденнно потерял часть ИК-каналов.
• Hubble Space Telescope: Ветеран-"старичок". Он еще помнитр СССР. Использовал криостат с твёрдым азотом (замороженный N2 при ~63 К), но позже заменили на механический криокулер. Это не жидкий гелий, но конструкция — Дьюар-подобная.
• James Webb Space Telescope (JWST): Здесь комбинированный подход. Пассивное охлаждение с помощью солнцезащитного экрана (держит телескоп в тени, температура ~40–50 К), а для Mid-Infrared Instrument (MIRI) — активный криокулер (не пассивный Дьюар с криогеном), который достигает 6–7 К. 
• Другие: В баллонных или ракетных ИК-телескопах (например, 1970-е годы) Дьюры с жидким гелием охлаждали до 4 К для коротких миссий. В Spacelab 2 (IRT) тестировали 250-литровую емкость со сверхтекучим гелием для глубокого криогенного охлаждения чувствительного детектора сканирующего телескопа.

Как обеспечивается теплоизоляция

В космосе теплоизоляция криостатов усиливается, чтобы минимизировать теплоприток (от Солнца, Земли или самой электроники). Основные элементы:

1. Вакуумная изоляция: Как в классическом Дьюаре — воздуха в пространстве между стенками откачан, чтобы исключить конвекцию и кондукцию.
2. Многослойная изоляция: Десятки слоёв тонкой фольги (алюминизированный слой), разделённых вакуумом. Каждый слой отражает тепловое излучение, снижая радиационные потери до 0.1–1 Вт/м². Это как "супертермос" для космоса.
3. Радиационные экраны: Охлаждаемые щиты (часто азотом или гелием), которые перехватывают тепло поэтапно.
4. Пассивное и активное охлаждение: В дьюарах криоген испаряется, унося постепенно тепло. В космосе пары отводятся в вакуум, чтобы не накапливать давление. Для сверхнизких температур (ниже 4 К) используют He-3/He-4 смеси или адсорбционные холодильники.
5. Дополнительно: Подвеска на низкотеплопроводных опорах (стекловолокно), минимизация контактов. Потери в таких системах — всего 1–5% криогена в сутки, но в космосе миссия ограничена запасом охладителя "на борту".

В современных телескопах, как JWST, переходят к механическим криокулерам (кулер Стирлинг), чтобы избежать исчерпания криогена, но принцип теплоизоляции остаётся похожим.