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Par Optica13 mai 2023

Des chercheurs ont mis au point une nouvelle façon de fabriquer des miroirs de télescope qui pourraient permettre de placer en orbite des télescopes beaucoup plus grands et donc plus sensibles. Crédit : Sebastian Rabien, Institut Max Planck de physique extraterrestre

Des miroirs à la fois légers et flexibles pourraient être enroulés de manière compacte pour le lancement, puis remodelés avec précision une fois déployés.

Les scientifiques ont développé une nouvelle méthode pour produire et façonner de grands miroirs de haute qualité, nettement plus fins que les miroirs primaires traditionnellement utilisés dans les télescopes spatiaux. Ces miroirs résultants possèdent suffisamment de flexibilité pour être enroulés et emballés efficacement dans un vaisseau spatial lors du lancement.

"Lancer et déployer des télescopes spatiaux est une procédure compliquée et coûteuse", a déclaré Sebastian Rabien de l'Institut Max Planck pour la physique extraterrestre en Allemagne. "Cette nouvelle approche - qui est très différente des procédures typiques de production et de polissage des miroirs - pourrait aider à résoudre les problèmes de poids et d'emballage des miroirs de télescope, permettant de placer en orbite des télescopes beaucoup plus grands, et donc plus sensibles."

Les chercheurs ont créé les miroirs en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur pour faire croître des miroirs à membrane sur un liquide en rotation à l'intérieur d'une chambre à vide. Cela leur a permis de former une fine membrane parabolique qui peut être utilisée comme miroir primaire d'un télescope une fois recouverte d'une surface réfléchissante telle que l'aluminium. Crédit : Sebastian Rabien, Institut Max Planck de physique extraterrestre

Dans la revue Applied Optics d'Optica Publishing Group, Rabien rapporte la fabrication réussie de prototypes de miroirs à membrane parabolique jusqu'à 30 cm de diamètre. Ces miroirs, qui pourraient être mis à l'échelle jusqu'aux tailles nécessaires dans les télescopes spatiaux, ont été créés en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur pour faire croître des miroirs à membrane sur un liquide en rotation à l'intérieur d'une chambre à vide. Il a également développé une méthode qui utilise la chaleur pour corriger de manière adaptative les imperfections qui pourraient survenir après le dépliage du miroir.

"Bien que ce travail n'ait fait que démontrer la faisabilité des méthodes, il jette les bases de systèmes de miroirs compressibles plus grands et moins coûteux", a déclaré Rabien. "Cela pourrait faire des miroirs légers de 15 ou 20 mètres de diamètre une réalité, permettant des télescopes spatiaux qui sont des ordres de grandeur plus sensibles que ceux actuellement déployés ou prévus."

La nouvelle méthode a été développée pendant la pandémie de COVID-19, ce qui, selon Rabien, lui a donné un peu plus de temps pour réfléchir et essayer de nouveaux concepts. "Dans une longue série de tests, nous avons recherché de nombreux liquides pour déterminer leur utilité pour le processus, étudié comment la croissance du polymère peut être effectuée de manière homogène et travaillé pour optimiser le processus", a-t-il déclaré.

Pour le dépôt chimique en phase vapeur, un matériau précurseur est évaporé et divisé thermiquement en molécules monomères. Ces molécules se déposent sur les surfaces dans une chambre à vide puis se combinent pour former un polymère. Ce processus est couramment utilisé pour appliquer des revêtements tels que ceux qui rendent l'électronique résistante à l'eau, mais c'est la première fois qu'il est utilisé pour créer des miroirs à membrane parabolique avec les qualités optiques nécessaires pour une utilisation dans les télescopes.

Les miroirs à membrane fabriqués selon la nouvelle technique sont suffisamment souples pour être enroulés. Cela pourrait être utile pour ranger les miroirs à l'intérieur d'un lanceur. Crédit : Sebastian Rabien, Institut Max Planck de physique extraterrestre

Pour créer la forme précise nécessaire à un miroir de télescope, les chercheurs ont ajouté un récipient rotatif rempli d'une petite quantité de liquide à l'intérieur de la chambre à vide. Le liquide forme une forme parabolique parfaite sur laquelle le polymère peut se développer, formant la base du miroir. Lorsque le polymère est suffisamment épais, une couche métallique réfléchissante est appliquée sur le dessus par évaporation et le liquide est emporté.

"On sait depuis longtemps que les liquides en rotation qui sont alignés avec l'axe gravitationnel local formeront naturellement une forme de surface paraboloïde", a déclaré Rabien. "En utilisant ce phénomène physique de base, nous avons déposé un polymère sur cette surface optique parfaite, qui a formé une fine membrane parabolique qui peut être utilisée comme miroir primaire d'un télescope une fois recouverte d'une surface réfléchissante telle que l'aluminium."

Bien que d'autres groupes aient créé des membranes minces à des fins similaires, ces miroirs sont généralement façonnés à l'aide d'un moule optique de haute qualité. L'utilisation d'un liquide pour former la forme est beaucoup plus abordable et peut être plus facilement adaptée à de grandes tailles.

Le miroir fin et léger créé à l'aide de cette technique peut facilement être plié ou enroulé pendant le voyage dans l'espace. Cependant, il serait presque impossible de lui redonner sa forme parabolique parfaite après le déballage. Pour remodeler le miroir à membrane, les chercheurs ont développé une méthode thermique qui utilise un changement de température localisé créé avec la lumière pour permettre un contrôle de forme adaptatif qui peut amener la fine membrane dans la forme optique souhaitée.

"Cela pourrait faire des miroirs légers de 15 ou 20 mètres de diamètre une réalité, permettant des télescopes spatiaux qui sont des ordres de grandeur plus sensibles que ceux actuellement déployés ou prévus." — Sébastien Rabien

Les chercheurs ont testé leur approche en créant des miroirs membranaires de 30 cm de diamètre dans une chambre de dépôt sous vide. Après de nombreux essais et erreurs, ils ont pu produire des miroirs de haute qualité avec une forme de surface adaptée aux télescopes. Ils ont également montré que leur méthode de mise en forme adaptative radiative thermique fonctionnait bien, comme démontré avec un réseau de radiateurs et l'éclairage d'un projecteur de lumière numérique.

Les nouveaux miroirs à membrane pourraient également être utilisés dans des systèmes d'optique adaptative. L'optique adaptative peut améliorer les performances des systèmes optiques en utilisant un miroir déformable pour compenser la distorsion de la lumière entrante. Étant donné que la surface des nouveaux miroirs à membrane est déformable, ces miroirs pourraient être façonnés avec des actionneurs électrostatiques pour créer des miroirs déformables moins coûteux à fabriquer que ceux créés avec des méthodes conventionnelles.

Ensuite, les chercheurs prévoient d'appliquer un contrôle adaptatif plus sophistiqué pour étudier dans quelle mesure la surface finale peut être façonnée et dans quelle mesure une distorsion initiale peut être tolérée. Ils prévoient également de créer une chambre de dépôt de taille métrique pour mieux étudier la structure de surface et les processus d'emballage et de dépliage d'un miroir primaire à grande échelle.

Référence : "Adaptive parabolic membrane mirrors for large deployable space telescopes" par Sebastian Rabien, 4 avril 2023, Applied Optics.DOI : 10.1364/AO.487262