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FP7

CESAR — Résultat en bref

Project ID: 263455
Financé au titre de: FP7-SPACE
Pays: France

La mission cryogénique d'exploration spatiale

Lors de la prochaine décennie, l'Agence spatiale européenne (ASE) a prévu de nouvelles missions astronomiques équipées de larges détecteurs de très grande sensibilité dans l'infrarouge lointain et les rayons X. Un projet financé par l'UE a décidé d'accélérer leur développement en abordant la question de leur approvisionnement énergétique à très basse température.
La mission cryogénique d'exploration spatiale
Dans l'espace, la température est de -240° Celsius sur l'orbite de Pluton, de -125° Celsius sur Mars et de -50° degrés Celsius à 570 km d'altitude au-dessus de la Terre, la position actuelle du télescope spatial Hubble. À de telles températures, l'électronique classique est inutile.

Pour permettre l'utilisation de l'électronique conventionnelle dans l'espace, il a été proposé d'ajouter une source thermique maintenant les appareils à une température supérieure à celle du milieu environnant. Cette idée semble actuellement impraticable car elle nécessiterait encore plus d'énergie pour le fonctionnement de ces sources thermiques. Elle rendrait également les dispositifs électroniques plus lourds, plus encombrants et plus complexes.

Dans le cadre du projet CESAR («Cryogenic electronics for space applications and research»), financé par l'UE, les chercheurs se sont plutôt orientés vers une technologie pionnière appelée cryoélectronique. Présentant une plus grande conductivité thermique et électrique, une plus faible consommation et une meilleure performance que les composants classiques, ces composants représentent par conséquent une meilleure solution pour les missions spatiales.

Des magnétomètres (mesurant le champ magnétique) modérément refroidis seraient par exemple d'une très grande sensibilité dans l'espace. Les détecteurs de rayons X fabriqués avec d'autres matériaux que le silicium peuvent atteindre une résolution supérieure de 2 ordres de magnitude par rapport à ceux fabriqués à partir du silicium. Dans le domaine infrarouge, les observations réalisées par des bolomètres ne sont limitées que par le fond thermique de la lumière zodiacale.

L'utilisation de ces nouveaux détecteurs à base de cryoélectronique est uniquement limitée par l'énergie disponible. La capacité de puissance serait principalement consommée par l'envoi des signaux vers une électronique conventionnelle plus chaude où ils seraient traités. Les chercheurs du projet ont voulu concevoir des composants électroniques capables de fonctionner dans un environnement très froid et le plus proche possible des capteurs.

Partant du constat que l'efficacité des composants cryoélectroniques actuels restait à prouver et qu'il n'existait pas de manuel d'utilisation, ils ont donc commencé par tester les composants disponibles. Ils ont constaté que les transistors de type silicium-germanium (SiGe) étaient plus performants que les transistors traditionnels tout silicium au-dessus de 100 Kelvins (environ – 173 degrés Celsius).

L'étape suivante consistait à déterminer comment créer des circuits complexes à l'aide de composants CMOS (pour Complementary Metal Oxide Semiconductor) fonctionnant à des températures aussi basses que 4 degrés kelvins. Les circuits cryoélectroniques ont permis d'améliorer la performance des détecteurs car ils contrôlent l'amplification et le filtrage des signaux ainsi que la conversion des signaux numériques en signaux analogiques et inversement.

D'autres développements comprennent la miniaturisation, différentes possibilités de conditionnement et de fonctionnalités étendues pour la cryoélectronique. Les partenaires du projet CESAR ont montré que la découverte des secrets de l'univers demandait une ingénierie extraordinaire sur Terre. Ces travaux ont été diffusés en ligne et une série d'ateliers ont été organisés afin d'explorer les possibilités de la cryoélectronique dans le domaine médical et les systèmes magnétiques supraconducteurs de stockage d'énergie.

Informations connexes

Mots-clés

Cryogénique, exploration spatiale, astronomie dans le lointain infra-rouge, cryo-électronique, applications spatiales