A l'environnement spatial sont associées des contraintes spécifiques dont la résistance mécanique liée au décollage de la fusée, l'absence de gravité et la fiabilité qui sont parmi les plus critiques. En particulier, la contrainte de fiabilité ou la nécessité de garantir des fonctionnements sans panne sur des durées typiquement de 5 ans à 10 ans conduit à concevoir des systèmes comportant des pièces mobiles sans frottement ou même idéalement aucune pièce en mouvement. Le Département des Systèmes Basses Températures (D-SBT) développe des cryoréfrigérateurs de type tube à gaz pulsé qui se caractérisent par l’absence de pièces mobiles à froid et dont l’ESA a financé un certain nombre de développements au D-SBT.
Le D-SBT développe des cryoréfrigérateurs de type tube à gaz pulsé depuis de nombreuses années. Très proche des machines Stirling, la technologie développée au D-SBT se caractérise par l’absence de pièce mobile dans la partie froide. Ceci rend cette machine plus fiable et limite le niveau des perturbations mécaniques exportées (microvibrations) vers les parties sensibles des instruments qui les accueillent
Entre 2004 et 2006, un tube à gaz pulsé de forte puissance (Large Pulse Tube Cooler, LPTC) a été développé conjointement avec Air Liquide et Thales Cryogenics pour le compte de l’ESA avec comme objectif le refroidissement de détecteurs infrarouge pour les missions d’observation de la terre. Sa capacité à produire de l’ordre de 2 watts de puissance de refroidissement vers 50 K permet de refroidir des matrices de détecteurs infrarouge avec un très bon rapport signal sur bruit. Le premier modèle d’ingénierie, réalisé par le D-SBT pour la partie cryogénique, a été transféré à Air Liquide qui en a assuré la qualification en vue d’applications spatiales. De nombreux développements technologiques ont été nécessaires avant que le premier modèle soit mis en orbite sur un satellite d’observation de la terre. Douze autres modèles le rejoindront sur les satellites météorologiques européens de 3ème génération (Meteosat Third Generation MTG). Ces satellites permettront de donner des images infrarouges de la terre et de sonder l’atmosphère afin d’en extraire des informations sur la vapeur d’eau et la température en vue d’améliorer les prédictions météorologiques.
D’autres développements sur la technologie des tubes à gaz pulsés ont permis d’abaisser leur température de fonctionnement jusqu’à 10 K environ. Ces machines sont une des briques incontournables des architectures thermiques des futures grandes missions d’astrophysique utilisant des détecteurs à très basses températures.
Tube à gaz pulsé fabriqué par Air Liquide sous licence CEA pour refroidir les détecteurs infrarouge de MTG.
© Air Liquide
Les tubes à gaz pulsé sont des machines cryogéniques utilisées pour produire des températures allant jusqu’à 4 Kelvin (pour les applications sol). Ils sont constitués d’un compresseur situé à température ambiante et d’une partie froide (appelé doigt froid) où a lieu la détente qui produit l’effet frigorifique. L’avantage des tubes à gaz pulsé par rapport aux autres machines cryogéniques traditionnelles est l’absence de pièce mobile à froid ce qui a pour conséquence un faible niveau de vibrations induites ainsi qu’une fiabilité et une durée de vie élevées. Les tubes à gaz pulsé sont donc destinés principalement aux applications où la fiabilité et les vibrations sont critiques, comme le spatial ou le refroidissement de détecteurs sensibles.