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

宇宙冰淇淋悖论

想象一下，你正在尝试为一个空间望远镜冻结一个巨大的、极其敏感的照相机。这不仅仅是一个普通的照相机；它是为了捕捉来自宇宙诞生之初最微弱的光之低语而设计的。为了完成工作，照相机的内部需要比南极洲最寒冷的冬季还要冷。如果它哪怕只变热了一点点，照相机就会产生“噪声”，从而无法观测到恒星。

为了让这个照相机变冷，天文学家使用了一种特殊的技巧：他们将液氮倾倒在上面。把液氮想象成一种超低温的、看不见的雪，当它接触到温暖的东西时会立即沸腾。随着它的沸腾，它会转化为气体并夺走热量，让照相机在寒冷中瑟瑟发抖。但问题在于：在旧有的操作方式中，这种沸腾的“雪”有点浪费。这就像是试图通过向一桶水里扔进一颗冰块来冷却整个房间，并希望整桶水都能结冰一样。大部分冷能都作为气体逃逸到了空气中，从未真正接触到你想要冻结的目标。

这正是故事变得有趣的地方。英国天文学技术中心的科学家们想知道，他们是否可以制造一个更好的“冰桶”。他们想知道，能否使用一种被称为“增材制造”（也就是用金属进行 3D 打印的一种高级说法）的新技术，来制造一个热交换器——一个传递寒冷的装置——其形状是人类双手永远无法雕刻出来的。一个 3D 打印的、像海绵一样的金属结构，能否捕捉到更多逃逸的冷气，从而让望远镜冻结得更快？如果他们做到了，是否能节省昂贵的液氮开支，还是说那台高级的 3D 打印机本身成本太高而不值得？

3D 打印的“捕雪器”

在这项研究中，团队构建了一个微型望远镜冷却系统模型来测试他们的想法。他们设置了三台不同的“冷却引擎”进行竞赛。第一台是常规引擎，采用传统方式制造：由两块铜块雕刻而成，用高温焊料（钎焊）粘合在一起，并填充了用于液氮流动的通道。另外两台是增材制造（AM）引擎，由 3D 打印机逐层堆叠金属粉末而成。其中一个是纯铜打印的，另一个是名为 Scalmalloy™ 的超强铝合金。

目标很简单：观察每台引擎将一个沉重的铝块（代表望远镜仪器）冷却到 96 K（约 -177°C）目标温度的速度有多快。他们同时也监测了每台引擎在完成任务过程中“喝掉”了多少液氮。

重大发现

结果显示，3D 打印铜引擎取得了压倒性胜利。情况如下：

• 速度： 旧式的铜引擎需要 11,485 秒（约 3 小时 11 分钟）才能达到目标温度。3D 打印的 Scalmalloy 引擎更快，耗时 9,277 秒。但真正的明星是 3D 打印纯铜引擎，它打破了记录，仅用 6,832 秒（约 1 小时 54 分钟）就达到了目标。与旧方法相比，这实现了 40.5% 的时间缩减。
• 效率： 由于 3D 打印铜引擎速度极快，它也节省了最多的液氮。它比常规单元节省了 35.3% 的氮气。然而，Scalmalloy 引擎的表现则有些毁誉参半；它虽然比旧引擎冷却得快，但实际上却多消耗了 11.8% 的氮气。
• 秘诀所在： 为什么 3D 打印铜的效果如此出色？团队将 3D 打印部件的内部设计成了“陀螺面”（gyroid）形状——一种复杂的、扭曲的、像海绵一样的图案，看起来像是一个扭曲的蜂窝。这种形状使液氮可以发生沸腾的表面积增加了 51%。想象一下你在晾干一条湿毛巾。如果你只是把它平铺着，它会干得很慢。如果你把它揉成一个球，它会干得更快，因为更多的织物暴露在了空气中。3D 打印机让人们能够创造出一种“揉皱了的”金属海绵，而旧的机器根本无法雕刻出这种形状，这让氮气的工作效率更高、速度更快。

关于另一台引擎

Scalmalloy（铝）引擎表明，3D 打印并非对所有事物都是灵丹妙药。虽然它大大减轻了重量——使冷却装置的重量减少了 53.7%——但它的冷却效率不如铜版本。它达到冷却所需的时间比铜 3D 打印件长，且消耗了更多氮气。这表明，虽然 3D 打印非常擅长减轻重量，但你所使用的材料与形状同样重要。

成本问题

团队还研究了价格标签。3D 打印铜引擎的制作成本比旧款高出 57%，这主要是因为打印纯铜仍然是一个新兴且昂贵的过程。Scalmalloy 引擎的制作成本实际上便宜了 15.5%。然而，作者指出，对于巨型望远镜来说，购买机器的成本只是故事的一部分。运行它的成本（购买液氮以及等待冷却时损失的观测时间）是非常巨大的。由于铜 3D 打印引擎能节省这么多时间和氮气，作者认为，制造它所增加的成本可能会通过运行成本的节省而迅速收回。

一些小插曲

实验并不完美。由于极低温度会导致标准传感器的导线收缩并导致读数错误，团队不得不建造一个特殊的数字传感器来测量液氮液位。他们还注意到液氮在管道中的流动并不完全平稳；它在管道中有些晃动，导致液位读数上下跳动。他们怀疑，未来添加一些内部“挡板”（就像浴缸里的隔板一样）可以解决这个问题。

底线结论

这篇论文表明，利用金属 3D 打印制造热交换器是天文学领域一种可行且强大的工具。它证明了通过打印复杂的、海绵状的形状，我们可以比传统方法更快、更高效地冷却大型科学仪器，且浪费更少。虽然 3D 打印铜版本是最快且最高效的，但也带来了更高的前期成本。铝版本虽然更轻，但效率较低。这项研究表明，对于未来的巨型望远镜来说，这种权衡可能是值得的：通过支付稍高的造价来制造一个更智能的冷却器，可以通过让科学家更早看到星空并使用更少的燃料，从而在长期内节省一大笔钱。