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Satellites

Écran solaire des plus résistant pour le télescope spatial James Webb

Imaginez des lunettes solaires capables de résister au froid et à la chaleur intenses de l'espace, au bombardement des rayonnements et aux impacts à haute vitesse de petits débris spatiaux. Ces lunettes n'existent pas, mais les ingénieurs de Northrop Grumman ont créé pour le télescope spatial James Webb de la NASA un écran solaire qui réunit toutes ces qualités. Le télescope spatial a besoin d'un bouclier qui le protège de la chaleur du Soleil pour que ses caméras et autres instruments puissent fonctionner correctement à plus d'un million de kilomètres de la Terre après son lancement en 2014.

L'écran solaire déployé. Source de l'image : NASA/Northrop Grumman

Tout satellite évoluant dans l'espace doit pouvoir résister aux rigueurs des conditions qui y règnent, y compris au froid et à la chaleur intenses ainsi qu'au rayonnement émis par une éruption solaire. Les températures peuvent y être aussi torrides que 400 K (127 ºC) et aussi glaciales que 30 K (-243 ºC). De plus, une fois dans l'espace, l'écran solaire du télescope Webb sera bombardé par de minuscules météorites (de la taille d'un grain de sable) et par des rayonnements. Il faudra donc qu'il soit extrêmement robuste. Il devra non seulement supporter ces assauts, mais aussi résister aux tensions et au vieillissement dans les conditions hostiles de l'espace. " Le ''vieillissement'' de l'écran est attribuables aux brûlures profondes du Soleil ", explique Mark Clampin, scientifique du projet du télescope Webb de la NASA, au Goddard Space Flight Center, à Greenbelt dans le Maryland.

S'il est protégé contre la lumière et la chaleur du Soleil, l'observatoire pourra fonctionner à des températures cryogéniques (froides) et ses capteurs infrarouges pourront observer des galaxies éloignées, les premières étoiles ainsi que des systèmes planétaires. Cette protection est importante parce que les capteurs infrarouges mesurent réellement la chaleur dégagée par des galaxies et des étoiles très lointaines. En protégeant le télescope et en le maintenant à l'ombre, l'écran solaire permet à celui-ci de se refroidir à une température aussi basse que 40 K (-233 ºC). Le moindre réchauffement du télescope entraînerait un dégagement de chaleur qui corromprait les données. Selon Martin Mohan, gestionnaire de programme pour le télescope Webb chez Northrop Grumman, à Redondo Beach en Californie, cela équivaudrait à appliquer sur la peau un filtre solaire offrant un facteur de protection de 1,2 million. C'est un peu difficile à imaginer. Avant que l'on ne développe cette technologie essentielle, il n'existait pas de matériaux dotés de propriétés thermiques leur permettant de réfléchir les rayons du Soleil sans être réchauffés.

Jonathan Gardner, scientifique de projet principal adjoint de la NASA pour le télescope Webb au centre Goddard précise que « L'infrarouge est un rayonnement thermique. Afin de discerner la faible lueur de chaleur infrarouge libérée par des étoiles et des galaxies lointaines, le télescope doit être très froid. S'il était réchauffé par la lumière du Soleil ou la chaleur dégagée par la Terre, la lumière infrarouge qu'il émettrait serait plus vive que celle de ses cibles et il ne serait pas en mesure d'observer quoi que ce soit. Ce serait un peu comme si on n'éteignait pas les lumières dans une salle de cinéma. Vous ne pourriez pas bien voir l'écran parce que vos yeux seraient inondés par les photons provenant de la salle. »

En quoi cet écran solaire super résistant est-il fait?

L'ingénieur chargé des essais de Northrop Grumman examine les diverses couches de l'écran solaire. Plusieurs membranes sont réunies pour former une couche de l'écran. On compte 5 couches en tout.
Source de l'image : Northrop Grumman

Cet écran solaire extrêmement résistant est constitué d'une pellicule polyimide à base de polymère (DuPont^TM Kapton® E). Le plus impressionnant, c'est que chaque couche formée de « membranes » a à peine l'épaisseur d'un cheveu humain (de un à deux millièmes de pouce). Séparées les unes des autres, les couches sont maintenues en place au centre et tendues au moyen de six tiges et de câbles périmétriques. L'écran solaire comprend cinq couches en tout.

Un alliage de silicium est appliqué sur le côté face au Soleil des deux couches inférieures (couches 1 et 2) alors qu'un revêtement d'aluminium est appliqué par dépôt en phase vapeur sur la surface arrière des couches 1 et 2 et sur les deux surfaces des couches 3, 4 et 5. Le revêtement de silicium semi-conducteur permet de très bien réfléchir l'énergie solaire, et les couches brillantes d'aluminium servent à renvoyer vers l'espace toute chaleur solaire à proximité des deux premières couches. La combinaison de ces revêtements et de la géométrie de l'écran fait en sorte que l'énergie solaire de 250 000 watts qui vient frapper la première couche face au Soleil tombe à moins de 1 watt lorsqu'elle atteint la cinquième et dernière couche.

Fabrication et essais

Multek Flexible Circuits (Sheldahl Technical Materials), de Northfield au Minnesota, produit le revêtement de la pellicule Kapton E. Mantech-SRS Technologies, de Huntsville en Alabama, fabrique les membranes, et l'intégration de celles-ci à la structure de l'écran est assurée par Northrop Grumman, dans son centre de Space Park, à Redondo Beach, en Californie.

Afin de démontrer que le matériau et les joints de construction des membranes conserveront leur intégrité thermo-optique et structurale, Northrop Grumman, l'entrepreneur principal du télescope spatial James Webb, a réalisé un programme de développement et d'essais s'échelonnant sur 6 ans. L'objectif de ce programme était de montrer que le matériau des membranes affichait une bonne performance dans tous les milieux opérationnels pertinents.

Au cours de ces essais, on a mesuré les propriétés mécaniques de base du matériau Kapton E à des températures extrêmement élevées et basses ainsi que dans des conditions de rayonnement spatial simulé chez Aerospace Corporation. On a procédé à d'autres essais d'exposition aux rayonnements au Research Institute de l'Université de Dayton et à la Solar Wind Facility du Marshall Space Flight Center de la NASA, à Huntsville en Alabama, pour évaluer la stabilité des revêtements de membrane.

Les ingénieurs utilisent un banc d'essai pleine grandeur pour démontrer les techniques de pliage et de manipulation. On voit ici le matériel utilisé pour soutenir les délicates couches pendant qu'elles seront dépliées.
Source de l'image : Northrop Grumman

Des essais d'impact à des vitesses jusqu'à 12 kilomètres à la seconde, utilisant des particules de sable pouvant s'apparenter à des météorites, ont été réalisés sur une membrane tendue et irradiée à des températures extrêmement élevées et extrêmement basses, à l'Hypervelocity Impact Facility de l'Université d'Auburn. La durabilité des revêtements minces a aussi été démontrée dans des conditions représentatives de manutention et de conditionnement ou de déploiement au sol. La résistance et la durabilité des joints de construction des membranes et d'autres caractéristiques de conception ainsi que la résistance au déchirement du Kapton E ont en outre été éprouvées dans des conditions d'irradiation et de températures extrêmes. Les matériaux ont passé tous les essais avec succès.

Chaque couche de l'écran a une superficie d'environ 150 mètres carrés, soit approximativement la taille d'un terrain de tennis. Dernièrement, chez Northrop Grumman, à Redondo Beach en Californie, on a plié et déployé un échantillon d'essai de l'écran à 5 couches pour valider certains concepts. Les membranes sont tellement grandes qu'une fois déployées, elles font penser à une toile d'araignée géante.

« Pour avoir une idée de ce à quoi ressemblera l'écran du télescope Webb, imaginez 5 membranes ayant la superficie d'un terrain de tennis et l'épaisseur d'un papier d'emballage de bonbon. L'écran solaire du télescope présente de nouveaux défis à relever. Par exemple, comment plier un papier d'emballage de bonbon qui a la taille d'un terrain de tennis? », fait remarquer Mark Clampin.

Les ingénieurs travaillant au télescope Webb ont surmonté cette difficulté. En raison de sa grande superficie, l'écran solaire doit être plié de manière compacte, un peu comme un parachute, autour du télescope afin que celui-ci puisse entrer dans la fusée de lancement. Une fois en route vers son orbite définitive, soit à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre, les ingénieurs enverront des commandes au télescope Webb pour déplier l'écran solaire.

Le télescope spatial James Webb est un projet conjoint de la NASA, de l'Agence spatiale européenne et de l'Agence spatiale canadienne.