C’est une période passionnante pour les astronomes et les cosmologistes. Depuis le Télescope spatial James Webb (JWST), les astronomes ont eu droit aux images les plus vives et les plus détaillées de l’Univers jamais prises. WebbLes puissants imageurs infrarouges, spectromètres et coronographes d’en permettront encore plus dans un avenir proche, y compris tout, des relevés de l’Univers primitif aux études d’imagerie directe des exoplanètes. De plus, plusieurs télescopes de nouvelle génération deviendront opérationnels dans les années à venir avec des miroirs primaires de 30 mètres (~ 98,5 pieds), des optiques adaptatives, des spectromètres et des coronographes.
Même avec ces instruments impressionnants, les astronomes et les cosmologistes attendent avec impatience une ère où des télescopes encore plus sophistiqués et puissants seront disponibles. Par exemple, Zachary Cordero
du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a récemment proposé un télescope avec un miroir primaire de 100 mètres (328 pieds) qui serait construit de manière autonome dans l’espace et mis en forme par des actionneurs électrostatiques. Sa proposition était l’un des nombreux concepts sélectionnés cette année par le programme NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) pour le développement de la phase I.
Corder est professeur de développement de carrière Boeing en aéronautique et astronautique au MIT et membre du Laboratoire des matériaux et des structures aérospatiales (AMSL) et du Small Satellite Center. Ses recherches intègrent son expertise en science du traitement, en mécanique et en conception pour développer de nouveaux matériaux et structures pour les applications aérospatiales émergentes. Sa proposition est le résultat d’une collaboration avec le professeur Jeffrey Lang (des laboratoires d’électronique et de technologie des microsystèmes du MIT) et une équipe de trois étudiants de l’AMSL, dont un doctorat. étudiant Harsh Girishbhai Bhundiya.
Leur télescope proposé résout un problème clé avec les télescopes spatiaux et autres grandes charges utiles qui sont emballés pour le lancement puis déployés en orbite. En bref, les compromis de taille et de précision de surface limitent le diamètre des télescopes spatiaux déployables à des dizaines de mètres. Considérez le lancement récent Télescope spatial James Webb (JWST), le télescope le plus grand et le plus puissant jamais envoyé dans l’espace. Pour s’intégrer dans son carénage de charge utile (au sommet d’une fusée Ariane 5), le télescope a été conçu de manière à pouvoir être plié dans une forme plus compacte.
Cela comprenait son miroir principal, son miroir secondaire et son pare-soleil, qui se sont tous déployés une fois que le télescope spatial était en orbite. Pendant ce temps, le miroir primaire (le plus complexe et le plus puissant jamais déployé) mesure 6,5 mètres (21 pieds) de diamètre. Son successeur, le Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR), aura un ensemble repliable similaire et un miroir primaire mesurant de 8 à 15 mètres (26,5 à 49 pieds) de diamètre – selon la conception choisie (LUVOIR-A ou – B). Comme Bhundiya l’a expliqué à Universe Today par e-mail :
« Aujourd’hui, la plupart des antennes d’engins spatiaux sont déployées en orbite (par exemple, l’antenne Astromesh de Northrop Grumman) et ont été optimisées pour obtenir des performances et un gain élevés. Cependant, ils ont des limites : 1) Ce sont des systèmes déployables passifs. C’est-à-dire qu’une fois que vous les avez déployés, vous ne pouvez pas modifier de manière adaptative la forme de l’antenne. 2) Ils deviennent difficiles à tuer à mesure que leur taille augmente. 3) Ils présentent un compromis entre diamètre et précision. C’est-à-dire que leur précision diminue à mesure que leur taille augmente, ce qui est un défi pour réaliser des applications d’astronomie et de détection qui nécessitent à la fois de grands diamètres et une haute précision (par exemple JWST).
Alors que de nombreuses méthodes de construction dans l’espace ont été proposées pour surmonter ces limitations, des analyses détaillées de leurs performances pour la construction de structures de précision (comme des réflecteurs de grand diamètre) font défaut. Dans l’intérêt de leur proposition, Cordero et ses collègues ont effectué une comparaison quantitative au niveau du système des matériaux et des processus de fabrication dans l’espace. En fin de compte, ils ont déterminé que cette limitation pouvait être surmontée en utilisant des matériaux avancés et une nouvelle méthode de fabrication dans l’espace appelée Bend-Forming.
Cette technique, inventée par des chercheurs de l’AMSL et décrite dans un article récent co-écrit par Bhundiya et Cordero, repose sur une combinaison de traitement de déformation par commande numérique par ordinateur (CNC) et de matériaux hiérarchisés à haute performance. Comme Harsh l’a expliqué :
«Le Bend-Forming est un processus de fabrication de structures filaires 3D à partir de fil métallique. Cela fonctionne en pliant un seul brin de fil à des nœuds spécifiques et avec des angles spécifiques, et en ajoutant des joints aux nœuds pour créer une structure rigide. Ainsi, pour fabriquer une structure donnée, vous la convertissez en instructions de pliage qui peuvent être mises en œuvre sur une machine comme une cintreuse de fil CNC pour la fabriquer à partir d’un seul brin de matière première. L’application clé du Bend-Forming est la fabrication de la structure de support d’une grande antenne en orbite. Le processus est bien adapté à cette application car il consomme peu d’énergie, peut fabriquer des structures avec des taux de compactage élevés et n’a pratiquement aucune limite de taille.
Contrairement à d’autres approches d’assemblage et de fabrication dans l’espace, le Bend-Forming est à faible puissance et est uniquement activé par l’environnement à très basse température de l’espace. De plus, cette technique permet à des structures intelligentes qui exploitent des matériaux multifonctionnels d’obtenir de nouvelles combinaisons de taille, de masse, de rigidité et de précision. De plus, les structures intelligentes qui en résultent exploitent des matériaux multifonctionnels pour obtenir des combinaisons sans précédent de taille, de masse, de rigidité et de précision, brisant les paradigmes de conception qui limitent les fermes conventionnelles ou les structures spatiales alignées en tension.
En plus de leur précision native, les grandes structures courbées peuvent utiliser leurs actionneurs électrostatiques pour contourner une surface de réflecteur avec une précision inférieure au millimètre. Ceci, a déclaré Harsh, augmentera la précision de leur antenne fabriquée en orbite :
“La méthode de contrôle actif s’appelle l’actionnement électrostatique et utilise les forces générées par l’attraction électrostatique pour façonner avec précision un treillis métallique en une forme incurvée qui agit comme réflecteur d’antenne. Pour ce faire, nous appliquons une tension entre le maillage et une « surface de commande » qui se compose de la structure de support Bend-Formed et des électrodes déployables. En ajustant cette tension, nous pouvons façonner avec précision la surface du réflecteur et obtenir une antenne parabolique à gain élevé. »
Harsh et ses collègues en déduisent que cette technique permettra un miroir déployable mesurant plus de 100 mètres (328 pieds) de diamètre qui pourrait atteindre une précision de surface de 100 m/m et une zone spécifique de plus de 10 m2/kg. Cette capacité surpasserait la technologie de radiométrie micro-ondes existante et pourrait conduire à des améliorations significatives des prévisions de tempêtes et à une meilleure compréhension des processus atmosphériques comme le cycle hydrologique. Cela aurait des implications importantes pour l’observation de la Terre et les études sur les exoplanètes.
L’équipe a récemment présenté un prototype de 1 mètre (3,3 pieds) d’un réflecteur actionné électrostatiquement avec une structure de support en forme de courbure lors de la conférence SciTech 2023 de l’American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), qui s’est déroulée du 23 au 27 janvier à National Port, Maryland. Avec cette subvention de phase I du NIAC, l’équipe prévoit de faire mûrir la technologie dans le but ultime de créer un réflecteur de radiométrie micro-ondes.
Pour l’avenir, l’équipe prévoit d’étudier comment Bend-Forming peut être utilisé en orbite géostationnaire (GEO) pour créer un réflecteur de radiométrie micro-ondes avec un champ de vision de 15 km (9,3 mi), une résolution au sol de 35 km (21,75 mi) et un projet plage de fréquences de 50 à 56 GHz – la gamme de fréquences super-élevées et extrêmement élevées (SHF / EHF). Cela permettra au télescope de récupérer les profils de température des atmosphères d’exoplanètes, une caractéristique clé permettant aux astrobiologistes de mesurer l’habitabilité.
“Notre objectif avec le NIAC est maintenant de travailler à la mise en œuvre de notre technologie de Bend-Forming et d’actionnement électrostatique dans l’espace”, a déclaré Harsh. «Nous envisageons de fabriquer des antennes de 100 m de diamètre en orbite géostationnaire avec une structure de support en forme de courbure et des surfaces de réflecteur actionnées électrostatiquement. Ces antennes permettront une nouvelle génération d’engins spatiaux avec des capacités de détection, de communication et de puissance accrues.
Lectures complémentaires : NASA
