Кріостати ... у космосі!

Ми зверталися до теми, що таке посудина Дьюара, оскільки ємності, де можна зберігати не лише гази, а і найрізноманітніші субстанції, надзвичайно затребувані. Земля на планеті. І тут зовсім не до пафосу. Оскільки у продовженні теми ми розглянемо, навіщо кріогенні ємності запускають на орбіту і навіть далі.
Власне, відповідь ми коротко дали ще у зазначеній статті в частині гамма та рентгенівської спектрометрії. Детектори спектрометрів треба охолоджувати, щоб усунути фон і отримати виняткову роздільну здатність. Оскільки завдання набагато складніше, ніж у дозиметрах. Потрібно розділити лінії спектрів радіації, які можуть бути дуже близькими ода до одної. Хоча це стосується і інших датчиків. Наприклад яких? Інфрачервоних! У побутових тепловізорах стоять мікроболометри, які не потребують охолодження. Компроміс між ціною, розмірами і прийнятною точністю. Чого з головою достатньо для побутових цілей та енергоаудиту. А ось для екстремально низької похибки, щоб, наприклад, буквально побачити людину з відстані в декілька кілометрів, потрібно охолоджувати фотодетектор. І без гучного насоса не обійтися ! 
Ну, а тепер. Полетіли до космосу !

Застосування кріогеніки у космічних телескопах

Так, у космічних телескопах дійсно використовуються кріостати, засновані на принципах посудини Дьюара, для охолодження інфрачервоних детекторів. Ці пристрої необхідні, тому що ІЧ-датчики чутливі до теплового шуму: чим нижча температура, тим краще роздільна здатність і чутливість. Без кріогенного охолодження детектори "сліпнуть" через власне випромінювання - тепловий рух атомів. Але спочатку буквально ступимо крок убік, щоб пояснення зробити точнішим, підійшовши зовсім з іншого боку. Буддисти використовують медитацію, щоб заспокоїти думки. І шляхом довгих тренувань здатні досягти абсолютного спокою та просвітління. Чого не можна досягти через хаотичний рой думок, які клубяться в голові, як бджоли влітку біля вулика.

Ось таке ж "просвітлення" дає охолодження до наднизьких температур і для термодетекторів інфрачервоних телескопів. 

А тепер - ближче до справи.

У космосі застосовують спеціалізовані кріостати — це вакуумні посудини з подвійними (або багатошаровими) стінками, аналогічні до Дьюару, але адаптовані для космічного вакууму. Вони заповнюються кріогенами, такими як рідкий гелій (He-4 або He-3), який забезпечує температури від 4.2 K (температура кипіння He-4 при нормальному тиску) до нижче 1 K у суперфлюїдному стані (He II). Наприклад, у телескопі Spitzer (NASA) використовувався кріостат об'ємом 360 літрів з рідким гелієм, який охолоджував ІЧ-детектори до ~5.5 К протягом місії. Це дозволило телескопу працювати в ІЧ-діапазоні без перешкод від теплових шумів.

Приклади космічних телескопів:

• Spitzer Space Telescope: Класичний випадок — кріостат з рідким гелієм, що випаровувався поступово, забезпечуючи пасивне охолодження. Після вичерпання гелію (через 5.5 років) телескоп перейшов у "теплий" режим із температурою ~30 К, але через це вимушено втратив частину ІЧ-каналів.
• Hubble Space Telescope: Досвідчений і перевірений часом "ветеран". Він ще пам'ятає СРСР. Використовував кріостат з твердим азотом (заморожений N2 при ~63 К), але пізніше замінили на механічний кріокулер. Це не рідкий гелій, але конструкція — Дьюар-подібна.
• James Webb Space Telescope (JWST): Тут комбінований підхід. Пасивне охолодження за допомогою сонцезахисного екрану (тримає телескоп у тіні, температура ~40-50 К), а також — активний кріокулер (не пасивний Дьюар з кріогеном), щоб досягнути 6-7 К.
• Інші: У балонних або ракетних ІЧ-телескопах (наприклад, у 1970-і роки) Дьюри з рідким гелієм охолоджували до 4 К для коротких місій. У Spacelab 2 (IRT) тестували 250-літрову ємність з надтекучим гелієм для глибокого кріогенного охолодження чутливого детектора телескопа.

Як забезпечується теплоізоляція

У космосі теплоізоляція кріостатів посилюється, щоб мінімізувати теплоприплив (від Сонця, Землі чи самої електроніки). Основні елементи:

1. Вакуумна ізоляція: Як у класичному Дьюарі — повітря у просторі між стінками відкачано, щоб виключити конвекцію та кондукцію.
2. Багатошарова ізоляція: Десятки шарів тонкої фольги (алюмінізованы), розділених вакуумом. Кожен шар відображає теплове випромінювання, знижуючи радіаційні втрати до 0.1 – 1 Вт/м. Це як "супертермос" для космосу.
3. Радіаційні екрани: Щити, що охолоджуються (часто азотом або гелієм), які перехоплюють тепло поетапно.
4. Пасивне та активне охолодження: У дьюарах кріоген випаровується, забираючи поступово тепло. У космосі пари відводять у вакуум, щоб не накопичувати тиск. Для наднизьких температур (нижче 4 К) використовують He-3/He-4 суміші або адсорбційні холодильники.
5. Додатково: Підвіска на низькотеплопровідних опорах (скловолокно), мінімізація контактів. Втрати у таких системах — всього 1-5% кріогену на добу, але в космосі місія обмежена запасом охолоджувача "на борту".

У сучасних телескопах, як JWST, переходять до механічних кріокулерів (кулер Стірлінг), щоб уникнути вичерпання кріогену, але принцип теплоізоляції залишається схожим.