L'architecture cryogénique

Le satellite est chauffé « de l'intérieur » par l'électronique embarquée. Cette partie du satellite, située derrière les panneaux solaires est à environ 300 K. Cette chaleur (des centaines de watts) est éliminée par rayonnement thermique grâce aux parties noires se trouvant sur les côtés de la base du satellite. Un ensemble de 3 ailettes intercepte la chaleur qu'apportent les supports mécaniques de la partie instruments. Les écrans noirs autour du télescope rayonnent vers l'espace environ 2W, ce qui leur permet de descendre à moins de 50K (-220 ° C).

Le satellite est exposé au Soleil uniquement du coté des panneaux solaires. Les instruments et les miroirs, eux, sont protégés de tout rayonnement solaire direct. La température des miroirs résulte ainsi de l'équilibre entre un bain thermique froid (~3 K soit -270° C) et le chauffage par conduction des supports des miroirs.

La puissance de refroidissement correspond à la capacité d'évacuer de la chaleur. Ainsi cette puissance signifie que ce système est capable d'éliminer la chaleur produite par une ampoule de 2 W.

Le refroidissement à 20K

Une machine cryogénique refroidit à 20 K (-253° C). Elle fonctionne par détente d'hydrogène dans un cycle Joule-Thomson. Six compresseurs travaillent en succession afin d'assurer un refroidissement à peu près continu.

Cette machine détermine la température de fonctionnement des radiomètres de l'instrument LFI et constitue le premier maillon actif de la chaîne de refroidissement de l'instrument HFI.

La puissance de refroidissement est de 1 W environ.

Cette machine consomme à elle seule la moitié de l'énergie disponible à bord pour chauffer les compresseurs. Le JPL aux USA est responsable de ce refroidisseur, l'électronique et le pilotage sont assurés par le LPSC en France.

Le refroidissement à 4K

Une machine cryogénique refroidit à 4 K (-269° C). C'est une pompe mécanique qui refroidit par détente Joule-Thomson d'hélium.

Cette machine détermine la température de référence des radiomètres de l'instrument LFI (qui observe la différence entre le ciel et cette référence constituée par l'enveloppe de HFI) et constitue le deuxième maillon actif de la chaîne de refroidissement de l'instrument HFI.

La puissance de refroidissement est de 0.015 W environ.

Le refroidissement à 0.1K

Une première partie de ce système cryogénique refroidit à 1.6 K (-271.4° C). Il fonctionne par détente Joule-Thomson du mélange hélium 3 / hélium 4 et prérefroidit les gaz purs de la dilution ainsi que les filtres de l'instrument HFI.

La puissance de refroidissement est de 0.005 W environ.

La seconde partie de ce système refroidit à 0.1 K (-273° C). Il fonctionne par dilution d'hélium 3 dans l'hélium 4 en circuit ouvert (le mélange est perdu dans l'espace).

Cette machine détermine la température de fonctionnement des bolomètres de l'instrument HFI. La puissance de refroidissement est de 0.000002 W environ.

• Pour plus de détails sur le réfrigérateur à dilution, cliquez ici

Les puissances cryogéniques peuvent sembler faibles au premier abord. Mais l'objectif de ces réfrigérateurs est en fait plus ambitieux : un réfrigérateur qui équipe notre cuisine doit évacuer seulement 7% environ de l'énergie thermique de son contenu. Les étages à 20K et à 1,6 K doivent eux évacuer 60% de l'énergie thermique initiale, l'étage à 4K 80% de cette énergie et enfin la dilution à 0,1K ... 94% de l'énergie thermique initiale ! Le tout dans l'espace...