Refroidissement d'un télescope

Ce tutoriel explique comment un télescope se refroidit afin de comprendre la formation et la lutte contre la buée et également savoir optimiser la mise en température d'un télescope.

Les trois modes de transferts de chaleur

Pour commencer, quelques rappels de transferts de chaleur. Il existe trois modes de transferts de chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement.

Conduction

Ce mode de transfert nécessite un support matériel. La chaleur se propage de proche en proche en utilisant l'agitation des molécules. Ce mode n'est pas très efficace dans l'air mais efficace dans les solides. Il sera donc négligé par la suite sauf pour la conduction dans le sol.

Convection

Ce mode de transfert nécessite un support matériel fluide comme les liquides et les gaz. La chaleur est transférée grâce aux mouvements du fluide. Les échanges de masse par évaporation seront mis dans ce mode de transfert.

Rayonnement

Pour ce mode de transfert, il n'y a pas besoin de support matériel et il s'effectue à distance principalement entre deux surfaces. La lumière fait partie du rayonnement.

Echanges sol - atmosphère (sans le télescope)

On va considérer l'absence de nuage dans l'atmosphère. C'est plutôt réaliste vu que l'on s'occupe d'astro et que l'on n'observe pas quand il y a des nuages.

On va prendre un morceau de sol bien dégagé (sans arbre au dessus de lui, de bâtiments proches, ….
Ce sol reçoit le rayonnement solaire (si ce n'est pas la nuit), il en réfléchit une partie, c'est albédo. Le sol reçoit également, le rayonnement de l'atmosphère à cause en particulier de la présence de la vapeur d'eau. Le sol émet également un rayonnement en direction de l'espace (ce rayonnement peut être soit absorbé par l'atmosphère ou partir au fin fond de l'espace). Il y a également un échange de chaleur entre le sol et l'atmosphère via la convection. L'échange par convection est très faible.
La surface du sol échange également par conduction avec le sol plus profond.
Les plus grands échanges s'effectuent par rayonnement.
En règle générale (sauf passage de front), le sol est plus chaud que l'air.

Echanges sol - atmosphère - télescope

Et quand on pose le télescope, que se passe-t-il ?
Globalement, le télescope ne modifie pas l'interaction entre le sol, l'atmosphère et le reste.
Par contre, le télescope échange par rayonnement avec le sol, l'atmosphère et l'espace. Il échange également par convection avec l'atmosphère mais c'est négligeable.
Le télescope reçoit donc du rayonnement du sol et de l'atmosphère. L'intensité du rayonnement du sol est plus importante que celle du rayonnement du ciel. Il émet également du rayonnement dans toutes les directions et par conséquent ce rayonnement est intercepté soit par le sol, soit par l'atmosphère si ça ne part pas directement dans l'espace.

Lorsque qu'un télescope pointe vers le ciel, les surfaces optiques émettent plus de rayonnement vers le ciel qu'elles en reçoivent de l'atmosphère. De ce fait, le télescope peut avoir une température plus basse que l'atmosphère ou le sol car le télescope a une faible inertie thermique.

La buée

La buée ou rosée se forme quand la température d'une surface est inférieure à la température de rosée.

Le point de rosée ou température de rosée est une donnée thermodynamique caractérisant l'humidité dans un gaz. Le point de rosée de l'air est la température à laquelle la pression partielle de vapeur d'eau est égale à sa pression de vapeur saturante. Si l'air humide est progressivement refroidi, la température de rosée correspond à l'apparition d'eau sous phase liquide. 

Pour limiter la buée, il faut s'arranger que les surfaces optiques restent à une température supérieure à la température de rosée.
Il y a donc plusieurs possibilités :
- chauffer les parties optiques à l'aide résistance, ce qui peut poser des problèmes de turbulence
- limiter la portion de ciel vue par la surface en mettant par exemple un pare-buée (ceci permet de limiter le rayonnement vers le ciel).

Egalement pour limiter les déperditions de chaleur du miroir secondaire, on peut mettre un morceau de feuille isolante sur la partie arrière. La couleur du matériau n'a que peu d'importance, il faut que ça soit réfléchissant ou isolant. 

La couleur d'un tube n'intervient pas, par contre l'aspect mat ou brillant est plus important. Un tube mat va échanger plus facilement du rayonnement avec le milieu ambiant.

Un truc pour limiter la buée et exploiter pleinement le rayonnement du sol : quand vous n'observez pas, pointez l'ouverture du tube vers le sol (si possible de l'enrobé ou du béton), ça retardera l'apparition de la buée. Ceci est pratique si vous n'avez pas de résistance chauffante, en particulier sur les Schmidt-Cassegrain.

En gros pour limiter l'apparition de la buée, laisser le moins d'entrée d'air humide (principalement du sol) dans le télescope et éviter d'avoir des parties trop exposées vers le ciel.

Turbulence

La turbulence peut provenir de deux sources : soit des mouvements de l'atmosphère, soit des mouvements de l'air dans et autour du télescope.
Nous nous intéresserons uniquement à la turbulence due aux mouvements de l'air du télescope.
Pour limiter ces mouvements d'air (qui sont responsables de la convection), il faut que les parois du télescope soient à la même température que l'air ambiant. Pouvoir accélérer la mise en température du télescope peut être agréable afin d'observer dans de bonnes conditions au plus vite. Il faut, dans ce cas, augmenter les échanges thermiques. L'une des possibilités la plus courante est de mettre un ventilateur afin d'augmenter la convection. L'augmentation du transfert par rayonnement est plus difficile, il faut orienter le télescope de façon à ce que le maximum de surface soit orienté vers le ciel.

Néanmoins, un télescope en température peut poser des problèmes de buée surtout si l'air a une humidité relative proche de 100%.

Conclusion

En conclusion, la mise en température d'un télescope est nécessaire pour pleinement en profiter mais cela peut poser des problèmes en particulier de buée. Une bonne compréhension des phénomènes de transfert permet de trouver un optimum pour profiter le plus longtemps possible de son télescope dans de bonnes conditions, même si ça dépend grandement de l'atmosphère.