La NASA développe un miroir en nanotubes de carbone pour les télescopes CubeSat

Les recherches scientifiques du projet CubeSat pourraient utiliser le premier miroir réalisé en nanotube de carbone noyé dans une résine d’époxy.

L’université polytechnique de Californie et l’université Stanford (États-Unis) ont défini le format de nanosatellites CubeSat en 1999 pour réduire les coûts de lancement des très petits satellites. L’idée était de permettre aux universités de développer et de placer en orbite leurs propres engins spatiaux. Leur format est de quatre pouces de côté pour une masse comprise entre 1 et 10 kg. La place est donc restreinte pour embarquer des instruments encombrants.

Utilisé un CubeSat pour déployer un télescope spatial n’est donc pas véritablement envisageable en raison de la place disponible, mais aussi du coût d’un miroir traditionnel. Une solution pourrait être un télescope léger conçu autour d’un miroir réalisé en nanotube de carbone.

Justement, une équipe d’ingénieurs et de scientifiques de la NASA développe actuellement un miroir en nanotube de carbone. Dirigé par Theodor Kostiuk, un scientifique du Goddard Space Flight Center de Greenbelt (Maryland), ce projet vise à concevoir une technologie permettant de réaliser un télescope compact, reproductible et relativement peu coûteux, un instrument qui pourrait tenir facilement à l’intérieur d’un CubeSat.

Un pas en avant pour la recherche et la démonstration des technologies

Si la NASA s’intéresse autant aux CubeSat, c’est parce que ces petits satellites jouent un rôle crucial dans l’exploration spatiale, mais aussi dans la démonstration de nouvelles technologies, la recherche scientifique et l’éducation. Ces nanosatellites représentent une plate-forme idéale à faible coût pour les missions de la NASA, y compris pour l’exploration de l’espace. C’est pour cette raison que l’équipe R&D de Ted Kostiuk cherche à développer un télescope CubeSat qui serait sensible à l’ultraviolet, au visible et aux longueurs d’onde infrarouge. Pour compléter le système, l’appareil serait équipé d’un dispositif de prise de vue commercial pour en faire « un outil d’exploration idéal ». « Nous essayons d’exploiter les composants disponibles dans le commerce », précise le chercheur.

Un tel télescope ne donnerait bien évidemment pas les mêmes résultats qu’un grand télescope terrestre. Il pourrait tout de même donner un premier ordre d’idée en prévision d’autres recherches. De plus, il serait aussi possible de multiplier ses capacités en imaginant une constellation de CubeSats équipée de la même manière.

Déjà en phase d’essai

Grâce au financement du Goddard Space Flight Center, le projet de télescope en nanotubes de carbone avance bien. Un banc optique de laboratoire a été réalisé avec un miroir de trois pouces de diamètre et trois spectromètres disponibles dans le commerce, miniaturisés et optimisés pour les bandes de longueur d’onde des rayonnements ultraviolet, visible et proche de l’infrarouge. Les spectromètres sont reliés par fibres optiques au miroir.

Contrairement à la plupart des télescopes miroirs en verre ou en aluminium, cette optique particulière faite de nanotubes de carbone incorporés dans une résine époxy présente des propriétés uniques. « Personne n’avait encore réussi à réaliser un miroir à l’aide de nanotubes de carbone et de résine », explique Peter Chen, un entrepreneur de Goddard et président de Lightweight Telescope qui travaille aussi sur le projet. « Il s’agit d’une technologie unique actuellement disponible seulement au Goddard. La technologie est trop récente pour voler dans l’espace, elle doit d’abord passer par différents niveaux d’évaluation ».

« L’utilisation d’une optique de nanotube de carbone dans un télescope CubeSat offre un certain nombre d’avantages », explique Tilak Hewagama. « En plus d’être léger, très stable et facilement reproductible, les nanotubes de carbone miroirs ne nécessitent pas de polissage, un long et coûteux processus qui est requis pour s’assurer qu’un miroir est parfaitement lisse ». Pour réaliser un miroir, un technicien verse simplement un mélange de résine époxyde et nanotubes de carbone dans un mandrin ou un moule façonné pour répondre à une prescription optique particulière. Le tout est chauffé pour durcir. Une fois réglé, le miroir est ensuite recouvert d’un matériau réfléchissant en aluminium et dioxyde de silicium.

« Avec un mandrin spécifique ou un moule, plusieurs dizaines de répliques de faible masse, parfaitement identiques, peuvent être produites à faible coût », souligne Peter Chen. « Cette capacité permettra à de nombreux engins spatiaux d’être équipés d’optiques identiques et de différents détecteurs pour une variété d’expériences. Ils pourront aussi voler en constellations ».

D’autres applications pour les miroirs en nanotubes de carbone

La technologie des miroirs en nanotubes de carbone pourrait être aussi utilisée pour des télescopes plus grands, notamment ceux qui sont réalisés en plusieurs segments. Il s’agit par exemple du miroir de 21 pouces du futur télescope spatial James Webb, un miroir se compose en réalité de 18 miroirs de forme hexagonale. Cela pourrait aussi concerner les télescopes jumeaux de l’observatoire Keck de Mauna Kea, à Hawaii, qui se composent de 36 segments pour former un miroir de 32 pieds. Un bon nombre des segments de ces miroirs sont identiques et peuvent donc être produits à l’aide d’un mandrin unique. Cette approche évite la nécessité de polir individuellement tous les segments, une approche qui conduit potentiellement à d’importantes économies.