Il Liquefattore di azoto

Il sistema circuito chiuso di criogenia della camera SWIRCAM

La camera per il vicino infrarosso SWIRCAM ha bisogno per operare di essere raffreddata alla temperatura di circa -200°C insieme a parte della sua elettronica di controllo, ai filtri, ad alcune lenti e parti meccaniche. Per poter raggiungere quelle temperature si utilizza normalmente dell'azoto liquido che appunto evapora a -196°C. L'azoto liquido viene mantenuto in contatto termico con il banco ottico che ospita il sensore e parte del sistema ottico e provvede ad estrarre, evaporando, sia il calore prodotto dall'elettronica che quello che normalmente entra nel criostato dall'esterno per via del non perfetto isolamento termico.

L'azoto liquido, che normalmente viene acquistato e deve quindi essere rifornito periodicamente, può però anche essere fabbricato liquefacendo ii gas che normalmente costituisce oltre il 70% dell'aria che respiriamo.

Originariamente SWIRCAM veniva raffreddata attraverso una fornitura commerciale di azoto liquido. Tuttavia mentre in estate i dewar (contenitori criogenici) potevano essere consegnati direttamente in Osservatorio, in inverno, poiché la strada per Campo Imperatore è normalmente chiusa per neve tra Novembre e Maggio, venivano consegnati alla base della funivia lasciando al personale dell'osservatorio l'onere di trasportare il carico in piccoli contenitori fino in cima. Il peso a vuoto dei contenitori e il consumo della camera rendevano quindi necessario un viaggio al giorno per il rifornimento del sistema: un'operazione laboriosa oltre che costosa.

Dal 2011 l'Osservatorio si è dotato di un sistema a circuito chiuso per il recupero dell'azoto evaporato e la sua successiva liquefazione tramite un sistema elettrico. Questo ha permesso di avere sempre disponibile sul posto l'azoto e di ridurre contestualmente il costo per l'approvvigionamento e il personale impegnato.

Il motivo per operare a circuito chiuso e non ricavando l'azoto dall'aria, va ricercato nella necessità in quest'ultimo caso di un sistema di separazione dell'azoto dagli altri gas presenti nell'atmosfera. Un tale sistema oltre che costoso per via della manutenzione e dei ricambi, costituirebbe anche un problema a causa della necessità di eliminare l'ossigeno (altamente infiammabile) in maniera sicura ed efficace. Poiché tale eliminazione non potrebbe essere assicurata a Campo Imperatore essenzialmente per via della formazione di ghiaccio in inverno, si è optato per il sistema a circuito chiuso.

Schema Per poter essere liquefatto l'azoto gas deve essere compresso ed erogato a pressione costante su una testa fredda (un sistema elettrico in grado di raffreddarsi fino a -200°C) fino alla completa liquefazione. Poiché non è possibile collegare un compressore direttamente allo sfiato di SWIRCAM pena l'abbassamento di pressione e il congelamento dell'azoto con consegueze sia meccaniche che termiche sullo strumento, i vapori che fuoriescono dalla camera vengono lasciati fluire liberamente in delle sacche plastiche non elastiche. I vapori in questo modo si trovano sempre a pressione ambiente e la tempetaura dello strumento rimane costante. Quando il volume delle sacche raggiunge la soglia impostata dell'75% della capacità massima, un compressore provvede a svuotarle fino al 25% trasferendo il gas in una bombola ad alta pressione. Un sistema di regolatori di pressione permette di spillare il gas dalla bombola alla giusta pressione per la liquefazione.

Il vantaggio di un tale sistema di riciclo dell'azoto è che oltre ad avere sempre disponibile l'azoto liquido, anche il riempimento della camera può essere gestito in automatico e senza l'intervento dell'operatore. Lo stesso sistema che controlla la liquefazione è anche in grado di rivelare la fine dell'evaporazione dalla camera (e quindi l'esaurimento dell'azoto liquido al suo interno) e provvedere al rifornimento della quantità necessaria per coprire le 24hr successive. In questo modo la camera viene rifornita ogni giorno approssimativamente alla stessa ora senza interferire con le osservazioni notturne.

Tutto il sistema è controllato tramite computer ed eventualmente gestibile in remoto. Lo strumento è in questo modo completamente automatico e può mantenersi freddo autonomamente anche per mesi.

In condizioni normali di esercizio il sistema di riciclo dell'azoto garantisce una perdita massima di liquido dell'ordine di 0.2 litri al giorno se la camera non รจ raffreddata, e inferiore a 0.5 litri al giorno con camera fredda. In questo modo un nuovo carico di azoto è necessario in media ogni 6 mesi, invece che ogni 10 giorni come avveniva prima dell'entrata in funzione di questo sistema.