Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Космические криостаты и космос на земле

Вернемся, однако, к теме «Космос и низкие температуры». Она связана не только с холодом космического пространства и плавающими в нем замороженными планетами и спутниками. Ведь в космосе царит и вакуум - "родной брат" низких температур. Вспомним первые шаги искусственного охлаждения, описанные в гл. 2. Одним из самых первых было вакуумирование откачкой пара - сначала над водой, а затем и над другими жидкостями, температура которых понижалась при этом вплоть до точки замерзания. При дальнейшей откачке за счет сублимации льда можно было добраться и до более низких температур. Но в космосе, если мы хотим применить такой способ получения низкой температуры, не нужно никакой искусственной откачки, никаких вакуум-насосов! Достаточно открыть пробку сосуда с жидкостью и сам космос высосет из него пар до любого нужного низкого давления. При этом нужно прилагать усилия не для того, чтобы отсосать пар; напротив, вся трудность сводится к тому, чтобы не выпустить слишком много паров, и удержать давление над жидкостью (или льдом) на нужном уровне. Поскольку давление и температура (см. рис. 2.7) для испаряющегося вещества однозначно связаны между собой, можно таким способом получить любую нужную температуру.

На таком принципе устроены многочисленные космические расходные криорефрижераторы. В сосуде Дьюара помещается объект криостатирования, окруженный жидкостью (гелием, метаном, аргоном и др.) или льдом (твердым водородом, неоном, метаном и др.). Когда сосуд (криостат) выведен в космос, пробка отстреливается, и пар из сосуда отсасывается космическим вакуумом; давление в криостате (а следовательно, нужная низкая температура) поддерживается автоматическим вентилем. На рис. 8.12 показан разрез одного такого криостата с замороженным криоагентом. В зависимости от запаса криоагента и тепловой нагрузки он может работать как несколько суток, так и несколько месяцев и даже лет.

Рис. 8.12. Схема и разрез космического криостата с замороженным криоагентом: 1 - металлический сосуд Дьюара; 2 -замороженный криоагент; 3 - трубка для заливки криоагента; 4 - охлаждаемый объект (приемник излучения); 5 - трубка для отвода пара в космическое пространство; . 6 - металлические перфорированные диски для отвода тепла от стержня; 7 - стержень для отвода тепла от объекта

Если криоагент в таком рефрижераторе не твердое тело, а жидкость (например, жидкий гелий, который необходим, если нужна температура в несколько кельвинов или даже ниже), то задача усложняется. Ведь в условиях невесомости жидкость не будет находиться в нижней части сосуда (там вообще нет ни "верха", ни "низа") и может вместе с паром вылететь из криостата. Но эта трудность была преодолена созданием специальных хитрых сепараторов, которые пропускают пар, но задерживают жидкость. Если с помощью космического вакуума можно получать холод, то естественно возникает мысль: нельзя ли, наоборот, с помощью холода получать космический вакуум? Такие идеи - "перевертыши" часто используются в технике.

Когда понадобился космический вакуум на земле (для физических исследований, при испытаниях космических изделий и др.), были созданы основанные на криогенной технике вакуумные насосы. Таким криовакуумным насосам не поручается столь "грубая работа", как откачка основной массы газа; для этого используются обычные вакуумные насосы. Только после того, как они сделают свое дело, включается криовакуумный насос и начинается "охота" за оставшимися молекулами (а их довольно много - миллионы на 1 см3). Всех их выловить, конечно, невозможно, однако вакуум, близкий к космическому, получается. Как же это делается? Вакуумные насосы, предназначенные для получения такого вакуума, бывают двух типов - криоконденсационные и криосорбционные. Действие первых - криоконденсационных, основано на том, что на внутренней оребренной поверхности насоса, охлажденной до низких температур, вымораживаются, оседают и накапливаются в виде мелких кристалликов частицы газа. С ними происходит примерно то же, что с мухами, садящимися на липкую бумагу. Процесс криозахвата идет до тех пор, пока вакуум в отсасываемой полости не достигает нужного уровня. На рис. 8.13 показан один из вариантов такого насоса. Криоадсорбционные насосы действуют подобным же образом, но в них молекулы газа не вымораживаются на охлажденных панелях, а поглощаются адсорбентом, охлажденным до низких температур. (Адсорбент - вещество с большим числом мелких незамкнутых пор, на поверхность которых высаживаются атомы или молекулы поглощаемого вещества (например, активированный уголь, силикагeль и др.). Площадь поверхности пор очень велика; на 1 кг адсорбента она составляет до 1000 м2.

Рис. 8.13. Схема действия криоконденсационного вакуумного насоса: 1. - вакуумируемая полость; 2 - корпус вакуумного сосуда; 3 - шевронный экран, защищающий от теплового излучения поверхность вымораживания; 5- жидкий гелий; 6 - жидкий азот; 7 - трубопровод для отвода испарившегося азота; 8 - вакуумная теплоизоляция; 9 - трубопровод для отвода испарившегося гелия

Так, с помощью криогеники создаются космические условия на земле; чтобы полностью их имитировать, в вакуумной камере обеспечивают и соответствующую криотемпературу.

Следующая страница: 9.1. Итоги и перспективы