Liquid nitrogen pre-cooling system for ELT instruments utilizing additively manufactured heat exchangers, integrated temperature and liquid level control

宇宙のジェラート・パラドックス

あなたは、宇宙望遠鏡のための巨大で非常にデリケートなカメラを冷却しようとしていると想像してください。これは単なるカメラではありません。宇宙誕生の瞬間の、かすかな光のささやきを捉えるために設計されたものです。その役割を果たすためには、カメラの内部が南極の最も深い冬よりも冷たくなければなりません。もし少しでも温まってしまうと、カメラは「ノイズ」が発生し、星を見ることができなくなってしまいます。

このカメラを冷やすために、天文学者は特別なトリックを使います。それは、カメラの上に液体窒素を注ぐという方法です。液体窒素を、温かいものに触れると瞬時に沸騰する、超低温の目に見えない雪だと考えてみてください。沸騰するにつれて、それはガスへと変化し、熱を奪い去り、カメラを寒さに震えさせます。しかし、ここに落とし穴があります。従来の方法では、この沸騰する雪は少し無駄が多いのです。それはまるで、バケツ全体を凍らせようとして、バケツの水の中に氷を一個だけ投げ入れるようなものです。冷たいエネルギーの大部分は、凍らせたいものに触れることなく、ガスとして空気中に逃げてしまいます。

ここで物語は面白くなります。英国天文学技術センター（UK Astronomy Technology Centre）の科学者たちは、より優れた「氷のバケツ」を作れるのではないかと考えました。彼らは、「アディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）」（金属を用いた3Dプリントの一種）と呼ばれる新しい技術を使って、人間の手では決して彫ることができない形状をした熱交換器（熱を伝える装置）を作れるのではないかと考えたのです。3Dプリントされたスポンジのような金属構造は、逃げていく冷たいガスをより多く捕まえ、望遠鏡をより速く凍らせることができるのでしょうか？ もしそうだった場合、高価な液体窒素の費用を節約できるのでしょうか。それとも、豪華な3Dプリンターのコストが高すぎて、割に合わないのでしょうか？

3Dプリントされた「雪捕り」

この研究において、チームは自分たちのアイデアをテストするために、望遠鏡の冷却システムのミニチュア版を製作しました。彼らは3つの異なる「冷却エンジン」によるレースをセットアップしました。一つ目は、従来の方法で作られた従来型エンジンです。これは2つの銅ブロックを削り出し、高温のろう材（ブレイジング）で接着し、液体窒素のための流路を設けたものです。他の2つは、金属粉末を層状に重ねて作るアディティブ・マニュファクチャリング（AM）エンジンです。一つは純銅でプリントされ、もう一つはScalmalloy™と呼ばれる超強力なアルミニウム合金で作られました。

目標はシンプルです。それぞれのエンジンが、重いアルミニウムブロック（望遠鏡の計器を模したもの）を目標温度である96 K（約 -177°C）までどれだけ速く冷却できるかを確認することです。彼らはまた、冷却作業を完了するために各エンジンがどれだけの液体窒素を「飲んだ」かも観察しました。

大きな発見

結果は、3Dプリントされた銅エンジンによる明確な勝利でした。起きたことは以下の通りです：

• 速度： 旧来の銅エンジンは、目標温度に達するまでに11,485秒（約3時間11分）かかりました。3DプリントされたScalmetalloyエンジンはより速く、9,277秒でした。しかし、真のスターは3Dプリントされた純銅エンジンであり、記録を打ち破り、わずか6,832秒（約1時間54分）で目標に到達しました。これは、従来の方法と比較して40.5%の短縮です。
• 効率： 3Dプリントされた銅エンジンは非常に速かったため、液体窒素も最も節約できました。従来型ユニットよりも35.3%少ない窒素を使用して作業を完了しました。一方、Scalmalloyエンジンは、少し複雑な結果となりました。従来のものよりは速く冷却しましたが、実際には11.8%多い窒素を消費しました。
• 秘訣： なぜ3Dプリントされた銅がこれほど優れていたのでしょうか？ チームは、3Dプリントされた部品の内部を「ジャイロイド」形状、つまりねじれたハニカム構造のような、複雑にねじれたスポンジ状のパターンに設計しました。この形状により、液体窒素が沸騰する表面積が51%増加しました。濡れたタオルを乾かす場面を想像してみてください。ただ平らに置いておくと乾燥は遅いです。しかし、タオルを丸めてボール状にすれば、より多くの布地が空気に触れるため、より速く乾きます。3Dプリンターによって、従来の機械では到底削り出すことのできない「丸められた」金属スポンジを作ることができ、窒素をより強力かつ迅速に働かせることができたのです。

もう一つのエンジンについては？

Scalmetalloy（アルミニウム）エンジンは、3Dプリントがすべてに対して魔法の解決策ではないことを示しました。このエンジンは非常に軽量であったため、冷却ユニットの重量を53.7%削減しましたが、銅バージョンほどの効率的な冷却はできませんでした。銅の3Dプリント版よりも冷却に時間がかかり、より多くの窒素を消費しました。これは、3Dプリントが軽量化には優れているものの、使用する材料が形状と同じくらい重要であることを示唆しています。

コストの問題

チームは価格についても調査しました。3Dプリントされた銅エンジンは、純銅のプリントはまだ新しい高価なプロセスであるため、製造コストが従来よりも57%高くなりました。Scalmetalloyエンジンは、実際には製造コストが15.5%安価でした。しかし、著者らは、巨大な望遠鏡にとって、機械を購入するコストは物語の一部に過ぎないことを指摘しています。稼働させるためのコスト（液体窒素の購入や、冷却待ちによる観測時間の損失）は膨大です。銅の3Dプリントエンジンは、時間と窒素を大幅に節約できるため、構築にかかる追加コストはすぐに回収できる可能性があると著者らは示唆しています。

いくつかの問題点

実験は完璧ではありませんでした。標準的なセンサーのワイヤーは極低温で収縮し、誤った数値を出すため、チームは液体窒素のレベルを測定するための特別なデジタルセンサーを製作する必要がありました。また、液体窒素がパイプ内を完全にスムーズに流れておらず、液面が上下に揺れ動いていることにも気づきました。彼らは、将来的に内部に「バッフル（仕切り板）」（浴槽の仕切りのようなもの）を追加すれば、この問題は解決すると考えています。

結論

この論文は、金属熱交換器の3Dプリントが、天文学における実行可能かつ強力なツールであることを示しています。複雑なスポンジ状の形状をプリントすることで、従来の方法よりもはるかに速く、かつ無駄を少なく巨大な科学計器を冷却できることを証明しました。3Dプリントされた銅バージョンは最も速く効率的でしたが、初期投資としての価格は高くなりました。アルミニウムバージョンはより軽量でしたが、効率は劣りました。この研究は、将来の巨大望遠鏡にとって、トレードオフは価値のあるものになる可能性を示唆しています。よりスマートな冷却装置を作るために少し多く支払うことは、科学者がより早く星を見ることができ、燃料をより少なく使えるようになることで、長期的に多額の節約につながるのです。