Development of a 40 K to 80 K vibration-free cooler for future Earth observation missions

Abstract

A solution for a sorption-based 40K to 80K Joule-Thomson cooler is presented to answer the needs of potential future Earth observation infrared missions with very low micro-vibration levels requirements from the European Space Agency. The studied solution in this thesis is limited to the development of one Joule-Thomson stage using nitrogen gas to provide 1.5W at 80K. The fluid circulation and compression are achieved through thermal cycling of an adsorbent material specifically chosen for its purpose: threemetalorganicframeworkmaterialswerestudiedtofulfilthisoperation. A detailed design and manufacturing of an elegant breadboard model based on the variousstringentrequirementsisshown. Thecharacterizationandvalidationofsome of the vibration-free cooler components was carried out: results and its engineering challengesarepresented.

Para atender às necessidades de futuras missões infravermelho de observação da Terra com requisitos de níveis de micro-vibração muitos reduzidos da Agência Espacial Europeia, um criorrefrigerador de adsorção entre 40K a 80K baseado no efeito Joule-Thomson é apresentado. A solução encontrada e estudada em pormenor nesta dissertação está limitada ao desenvolvimento de um estágio Joule-Thomson usando o gás de azoto para fornecer uma potência frigorífica de 1.5W a 80K. A circulação e compressãodofluídoéobtidaecontroladaatravésdeciclostérmicosdeummaterial deadsorçãoadequadamenteescolhidoparaessefim:trêsmateriaiscomestruturasmetalorgânicas(metalorganicframework,eminglês)foramestudadospararealizaresta operação. Um desenho detalhado e construção do criorrefrigerador tendo em conta os vários requisitos rigorosos de uma missão de observação da Terra são apresentados.Acaracterizaçãoevalidaçãodealgunscomponentesdestecriorrefrigeradorsem vibraçõesforamrealizadas:osresultadosedesafiosdeengenhariasãoapresentados.