Dans le monde de la recherche scientifique, la nécessité de refroidir les instruments électriques les plus sensibles à des températures extrêmement basses est une réalité omniprésente. De plus en plus, maintenir des températures proches du zéro absolu est en effet crucial pour protéger les appareils contre les interférences externes, telles que les variations de température. On parle de « Big Chill » et son importance ne peut être sous-estimée dans la recherche de résultats scientifiques précis et fiables.
Traditionnellement, les scientifiques ont eu recours à des réfrigérateurs à tubes pulsés (PTR) pour atteindre les températures extrêmement basses nécessaires à leurs expériences. Concrètement, ces PTR utilisent de l’hélium gazeux dans un processus complexe d’évaporation et de condensation pour refroidir les instruments. Cependant, malgré leur efficacité, ces réfrigérateurs présentent des inconvénients majeurs. Ils consomment non seulement d’énormes quantités d’énergie, mais ils sont également coûteux à exploiter et prennent beaucoup de temps pour atteindre les températures requises.
Ces limitations ont depuis longtemps entravé la recherche scientifique, ralentissant les progrès et augmentant les coûts.
Aujourd’hui cependant une équipe du National Institute of Standards and Technology (NIST) annonce en effet avoir fait une percée majeure dans le domaine du refroidissement. Plus précisément, les chercheurs ont développé un nouveau prototype de réfrigérateur qui peut selon eux atteindre le Big Chill beaucoup plus rapidement et efficacement que les méthodes traditionnelles. Cette avancée pourrait ainsi révolutionner la façon dont les expériences scientifiques sont menées, en réduisant considérablement le temps de préparation et les coûts associés.
Comment fonctionne cette nouvelle technologie de refroidissement ? Contrairement aux PTR traditionnels qui sont optimisés pour une seule température de base, le nouveau prototype développé par le NIST utilise une conception innovante pour utiliser plus efficacement l’hélium gazeux. Grâce à une valve intelligente placée entre le compresseur et le réfrigérateur, une partie de l’hélium qui serait normalement gaspillée est réacheminée pour un refroidissement plus efficace. Cette optimisation permet d’atteindre le Big Chill 1,7 à 3,5 fois plus rapidement que les méthodes conventionnelles.
Les résultats de l’étude sont impressionnants. En utilisant cette nouvelle technologie de refroidissement, les scientifiques estiment en effet qu’ils pourraient économiser jusqu’à 27 millions de watts d’énergie par an et réduire la consommation mondiale d’énergie de 30 millions de dollars. De plus, ils pourraient réduire de plusieurs semaines le temps de préparation des expériences scientifiques clés, ce qui accélérerait considérablement les progrès dans divers domaines de la recherche.
Référence
Dynamic acoustic optimization of pulse tube refrigerators for rapid cooldown
- Published: 23 April 2024
- Ryan Snodgrass and others
- Nature Communications volume 15, Article number: 3386 (2024)
- Abstract
Pulse tube refrigerators are a critical enabling technology for many disciplines that require low temperatures. These refrigerators dominate the total power consumption of most modern cryostats, including those that reach millikelvin temperatures using additional cooling stages. In state-of-the-art commercial pulse tube refrigerators, the acoustic coupling between the driving compressor and the refrigerator is fixed and optimized for operation at base temperature. We show that this optimization is incorrect during the cooldown process, which results in wasted power consumption by the compressor and slow cooldown speed. After developing analytic expressions that demonstrate the need for acoustic tuning as a function of temperature, we dynamically optimize the acoustics of a commercial pulse tube refrigerator and show that the cooldown speed can be increased to 1.7 to 3.5 times the original value. Acoustic power measurements show that loss mechanism(s)—and not the capacity of the compressor—limit the maximum cooling available at high temperatures, suggesting that even faster cooldown speeds can be achieved in the future. This work has implications for the accessibility of cryogenic temperatures and the cadence of research in many disciplines such as quantum computing.
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