Les ingénieurs de la NASA repoussent les limites de la physique pour focaliser la lumière

Deux petits satellites en orbite de précision tenteront de capturer les premières vues jamais réalisées de caractéristiques à petite échelle proches de la surface du Soleil qui, selon les scientifiques, sont à l’origine du réchauffement et de l’accélération du vent solaire.

L’héliophysicien Doug Rabin du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, a déclaré que les tamis à photons, une technologie capable de concentrer la lumière ultraviolette extrême, devraient être capables de résoudre des caractéristiques 10 à 50 fois plus petites que ce que l’on peut voir aujourd’hui avec le Observatoire de la dynamique solaireL’imageur EUV de.

Cependant, pour être plus efficaces, ils doivent être larges, ultra fins et gravés de trous précis pour réfracter la lumière. Travaillant au laboratoire de développement de détecteurs de Goddard, l’ingénieur de Goddard, Kevin Denis, a développé de nouvelles façons de créer des membranes plus larges et plus fines à partir de tranches de silicium et de niobium. Jusqu’à présent, chaque progrès a nécessité des étapes supplémentaires pour protéger les tamis résultants, par exemple en laissant un nid d’abeilles d’un matériau plus épais pour soutenir la membrane et éviter les déchirures.

«C’est un véritable défi physique de construire des tamis avec une telle précision», a déclaré le Dr Doug Rabin, héliophysicien de Goddard. “Leurs plus petites caractéristiques mesurent 2 microns de diamètre avec un espace de 2 microns entre les perforations, soit à peu près la taille de la plupart des bactéries.”

Gravés à partir du centre avec des anneaux de trous toujours plus petits, les tamis sont conçus pour réfracter la lumière de la même manière que les lentilles de Fresnel utilisées dans les phares. La lumière ultraviolette extrême traversant ce tamis est progressivement courbée vers une caméra distante. Les membranes minces sont importantes pour la science solaire car ces tamis transmettent plus de lumière que les matériaux plus épais, a expliqué Denis.

Lui et son collègue ingénieur Kelly Johnson ont réussi à produire un tamis en silicium de 8 cm de diamètre et d’à peine 100 nanomètres d’épaisseur. Ils expérimentent désormais des membranes en niobium qui peuvent encore améliorer l’efficacité de la collecte de lumière, car elles transmettent jusqu’à sept fois plus de lumière que le silicium. Ils ont réussi à graver un tamis en niobium de 13 cm de diamètre et d’une épaisseur de seulement 200 nanomètres.

Denis s’inspire de sa collaboration étroite avec des scientifiques pour surmonter les obstacles à l’avancement de leur domaine, a-t-il déclaré. “Ils ont fait un excellent travail en utilisant les tamis dans des applications scientifiques à court terme tandis que nous poussons la technologie vers des missions plus grandes et plus performantes.”

Des tamis à photons découpés dans des matériaux aussi épais que 25 microns font déjà partie de la démonstration technologique VISORS – Virtual Super Optics Reconfigurable Swarm – mission CubeSat, dont le lancement est prévu en 2024. VISORS se compose d’un satellite compact de la taille d’une mallette équipé de tamis pour réfracte la lumière sur un récepteur d’un deuxième satellite à 130 pieds (40 m). Entretenir ces engins spatiaux orbite de haute précision et le développement d’un pare-soleil sont au centre d’un autre projet Goddard IRAD.

Le succès de VISOR pourrait ouvrir la voie à une mission future plus vaste, avec une séparation des vaisseaux spatiaux mesurée en kilomètres, utilisant la plus grande résolution des tamis plus fins de Denis une fois qu’ils seront prêts pour le vol spatial.

Un autre tamis à photons plus grand sera utilisé pour calibrer le MUSE – Solar Explorer multi-slit – spectromètre dont le lancement est prévu en 2027.

Le travail de Denis a été mis en valeur dans La physique aujourd’hui, une publication de l’American Institute for Physics, et a donné lieu à deux brevets et un troisième a déjà été déposé. Le technologue en chef de Goddard, Peter Hughes, a décerné à Denis le prix de l’innovateur IRAD de l’année FY23 lors de la session annuelle d’affiches du programme qui s’est tenue le 15 novembre.

Tout en continuant à repousser les limites de l’ingénierie, Denis se dit impatient de voir les lancements de MUSE et VISORS. “C’est une grande motivation de voir comment ils vont être utilisés pour de nouvelles sciences, même si nous continuons à nous améliorer.”

Par Karl B. Hille

Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland.