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Grille de nanotubes émetteurs
Les transmissions à longue distance font partie de notre vie dans les affaires, le divertissement ou juste pour garder le contact avec ses amis et sa famille. Particulièrement pour les régions éloignées, ceci est rendu possible grâce à des transmissions utilisant des émetteurs embarqués sur des satellites. Il y a en général 50 amplificateurs à micro-ondes à bord d'un satellite, pesant chacun environ un kilogramme et d'une taille d'environ 30 cm. Le kilogramme de charge utile pour envoyer des données dans l'espace coûte actuellement autour de 15.000 euros. Des économies substantielles seraient réalisée et des charges supplémentaires pourraient être lancées, si le poids et la taille des appareils micro-ondes pouvaient être réduits.
Les dispositifs d'amplification à micro-onde utilisés dans l'espace aujourd'hui sont basés sur la technologie de la "cathode chaude". Ken Teo et son équipe ont démontré qu'une source à cathode froide, basée sur la technologie des nanotubes de carbone, peut générer directement des électrons à des fréquences micro-onde, (gigahertz), et par conséquent être utilisée dans les dispositifs émetteurs, avec une économie potentielle en poids et en taille pouvant atteindre 50%. Ceci non seulement réduira les coûts et augmentera les capacités des systèmes satellites conventionnels, mais permettra également l'élaboration de micro-satellites à prix réduit qui pourraient ne peser qu'une dizaine de kg.
Les nanotubes de carbone sont des feuilles de graphite enroulées en forme de tube. Ces tubes ont des diamètres de l'ordre du nanomètre et des longueurs allant du micron au millimètre. Les nanotubes de carbone sont d'excellents conducteurs et ont une grande robustesse mécanique. Ken Toe et son équipe utilisent des nanotubes en pointes acérés et fortement conductrices. Les nanotubes sont ordonnés en grille, chacun de même taille et même diamètre. Cela ressemble à un tapis d'aiguilles à une échelle nanométrique. Quand les pointes sont soumises à un champ électrique, tel que celui généré par une onde électromagnétique, elles libèrent des électrons à leurs extrémités. En injectant des ondes de fréquences radio aux nanotubes, ceux-ci sont capables d'effectuer des cycles marche-arrêt à la fréquence de l'onde injectée et de produire ainsi un faisceau d'électrons à haute fréquence. Cela a été réalisé à 1,5GHz et plus récemment à 32GHz. Les fréquences supérieures à 30Ghz, où les canaux abondent, sont les liaisons du futur.
Cathode haute fréquence à nanotubes de carbone
La nouvelle source à cathode froide est très différente des amplificateurs à cathode chaude conventionnels. Ceux-ci possèdent 4 parties: la source d'électron à 1000°C qui produit un flux continu d'électrons ; un étage d'entrée pour superposer le signal sur les électrons ; un étage de sortie pour retrouver le signal amplifié; et finalement un étage collecteur pour rattraper tous les électrons perdus. Ils sont encombrants, lourds, inefficaces et lents à monter en température.
En résumé les avantages de cette nouvelle source à nanotubes de carbone sont les suivants: Aucun chauffage n'est exigé et la source peut être commutée en marche-arrêt instantanément. La source et les étages d'entrée de l'amplificateur à micro-ondes sont combinés, ce qui induit une réduction de taille et de poids. Enfin, le principe lui-même est différent. Avec la source conventionnelle, les électrons du flux sont modulés en vitesse pour produire des groupes, et ce sont ces groupes qui sont extraits en tant que sortie utile. Avec la nouvelle source à nanotubes, les groupes d'électrons sont instantanément produits à la source.